طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)، تکنیکی تحلیلی برای مطالعه مواد است که بر اساس فیزیک رزونانس مغناطیسی هسته عمل می کند.
اسپکترومتری رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)
در این مقاله، اجزای مختلف یک طیف سنج رزونانس مغناطیسی هسته ای مورد بحث قرار گرفته اند و به طیف وسیعی از تکنیک های طیف سنجی NMR می پردازد.
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای، به عنوان یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که برای مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی مولکول ها استفاده می شود.
این تکنیک، بر اساس پدیده تشدید یا رزونانس مغناطیسی هسته ای است که زمانی رخ می دهد که هسته های اتمی با تعداد فرد پروتون یا نوترون در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند.
نمونه حاوی چنین هسته هایی، تحت یک پالس فرکانس رادیویی نیز قرار می گیرد که باعث می شود هسته ها این انرژی را جذب کنند. با اندازه گیری فرکانس و شدت سیگنال NMR حاصل می توان اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی، محیط شیمیایی و سایر خواص ماده بدست آورد.
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای به طور گسترده در حوزه های شیمی، بیوشیمی و پزشکی برای تعیین ترکیبات پیچیده تا عملکرد ماکرومولکول های بیولوژیکی، برای شناسایی شیمیایی و مطالعات ساختاری پروتئین ها، گلوکز، سلولز، فلزات و مواد غذایی استفاده می شود.
مکانیزم کلی رزونانس مغناطیسی هسته ای
در آزمایش رزونانس مغناطیسی هسته ای، یک ماده نمونه در داخل یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد شده توسط یک آهنربای ابررسانا (مگنت) قرار می گیرد.
میدان مغناطیسی باعث می شود که پروتون های موجود در ماده نمونه به صورت موازی یا پادموازی با جهت میدان در یک راستا قرار گیرند (به دلیل اسپین مغناطیسی هسته که تحت تأثیرمیدان مغناطیسی قرار می گیرد).
در غیاب هیچ عامل دیگری، این دو حالت دارای انرژی برابری هستند. با این حال، هنگامی که یک پالس فرکانس رادیویی به نمونه اعمال می شود، می تواند باعث شود که برخی از پروتون ها از حالت انرژی پایین به حالت انرژی بالاتر بروند (برانگیخته شوند).
به این پدیده، تشدید یا رزونانس مغناطیسی هسته ای می گویند. و مقدار انرژی مورد نیاز برای این فرایند در یک پروتون خاص، به محیط شیمیایی موضعی آن، مانند اتم های دیگر و پیوندهای نزدیک با آنها بستگی دارد.
هنگامی که پالس فرکانس رادیویی خاموش یا قطع می شود، پروتون ها به حالت انرژی اولیه خود باز می گردند و در این فرآیند یک سیگنال فرکانس رادیویی ساطع می کنند.
این سیگنال NMR را می توان برای ارائه اطلاعات در مورد ساختار شیمیایی و خواص نمونه شناسایی و آنالیز کرد و قدرت آن قویاً به تعداد پروتون های تشدید شونده و سرعت رمبش آنها به حالت انرژی اولیه بستگی دارد.
با تغییر پارامترهای آزمایش، مانند قدرت میدان مغناطیسی و فرکانس پالس رادیویی می توان انواع مختلفی از اطلاعات را در مورد نمونه ها به دست آورد.
اسپین هسته
اسپین هسته ای یک ویژگی های کوانتومی هسته های اتمی است که از حرکت جمعی پروتون ها و نوترون ها در هسته ناشی می شود و به تکانه زاویه ای ذاتی هسته اشاره دارد که می توان آن را به عنوان هسته ای در نظر گرفت که حول محور خود می چرخد.
مقادیر اسپین هسته ای کوانتیزه است، به این معنی که یک هسته تنها می تواند مقادیر گسسته خاصی را که توسط تعداد پروتون ها و نوترون های هسته تعیین می شود، داشته باشد.
هسته هایی با تعداد فرد پروتون یا نوترون دارای اسپین هسته ای غیر صفر هستند، در حالی که در هسته هایی با تعداد زوج از هر دوی آنها، دارای اسپین صفر هستند.
اسپین هسته ای نقش مهمی در بسیاری از حوزه های کاربردی فیزیک و شیمی، از جمله طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) ایفا می کند.
این تکنیک ها بر تعامل بین اسپین های هسته ای و میدان مغناطیسی خارجی برای ارائه اطلاعات در مورد ساختار و ترکیب مولکول ها و مواد متکی هستند.
اسپین های هسته ای اتم های خاص می توانند از طریق پدیده رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) با یک میدان مغناطیسی خارجی تعامل کنند. هنگامی که در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند، هسته های این اتم ها خود را موازی یا پاد موازی با جهت میدان قرار می دهند.
این تراز شدگی، یک گشتاور مغناطیسی کوچک ایجاد می کند که با استفاده از تجهیزات تخصصی قابل تشخیص و اندازه گیری است و قدرت گشتاور مغناطیسی به بزرگی میدان مغناطیسی خارجی و خواص هسته ای ذاتی اتم مانند اسپین و گشتاور مغناطیسی آن بستگی دارد.
با تغییر قدرت میدان مغناطیسی خارجی، می توان سطوح مختلف انرژی هسته های اتم را مشاهده کرد و اطلاعاتی در مورد محیط شیمیایی و ساختار مولکولی آنها به دست آورد.
ابزار دقیق طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ای از چندین جزء کلیدی تشکیل شده اند، از جمله:
- مگنت (آهنربای بسیار قوی)
- الکترونیک فرکانس رادیویی (RF)
- سیستم آشکارسازی
مگنت
آهنربا قلب یک طیف سنج رزونانس مغناطیسی هسته ای است که میدان مغناطیسی استاتیک قوی و همگنی را برای آزمایش های NMR مورد نیاز فراهم می کند. این میدان برای تراز کردن اسپین های هسته ای نمونه مورد آنالیز ضروری است.
آهنرباهای NMR معمولاً از سیم های ابررسانا ساخته می شوند که با استفاده از هلیوم مایع تا دمای بسیار پایین خنک می شوند. خنک سازی، این امکان را در سیم فراهم می کند تا جریان الکتریکی را بدون مقاومت حمل کرده و یک میدان مغناطیسی بسیار قوی نیز ایجاد کند.
قدرت میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک آهنربای NMR با واحد تسلا (T) اندازه گیری می شود و اکثر طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ای در میدان های بین 1.5 تا 23 تسلا کار می کنند.
همگن بودن میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنربای NMR نیز مهم است، زیرا هر گونه تغییر در میدان می تواند منجر به گسترش طیف و کاهش وضوح آن خواهد شد، که می تواند دقت و صحت داده های به دست آمده از آزمایش را به خطر بیندازد.
برای به حداقل رساندن این اثرات، بسیاری از آهنرباهای NMR از سیم پیچ های shim برای تنظیم میدان و بهبود همگنی آن استفاده می کنند.
سیم پیچ های shim برای اصلاح این اعوجاج ها با تولید میدان های مغناطیسی اضافی که عدم یکنواختی میدان اصلی را خنثی می کند، استفاده می شود که منجر به یک تصویر واضح تر و دقیق تر می شود.
کویل های shim بسته به کاربرد خاص در اشکال و اندازه های متفاوتی وجود دارند. آنها معمولاً سیم های مسی هستند که به دور یک استوانه یا کره پیچیده می شوند و در داخل آهنربای اصلی دستگاه قرار می گیرند.
الکترونیک فرکانس رادیویی (RF)
جزء ضروری دیگر طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای، الکترونیک فرکانس رادیویی (RF) است. پس از اینکه نمونه در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار گرفت و هسته های آن با میدان همسو شدند، یک پالس فرکانس رادیویی اعمال می‌شود تا این هسته های همراستا را تحریک کند.
با جذب انرژی فرکانس رادیویی اعمال شده، گشتاور مغناطیسی اسپین ها تغییر کرده و در حقیقت، انرژی آنها نیز تغییر می کند (برانگیختگی هسته ای رخ می دهد). با قطع کردن فرکانس RF، اپسین ها تمایل دارند که به حالت انرژی قبل باز گردند.
در حین بازگشت آنها به حالت انرژی اولیه،سیگنال قابل تشخیصی منتشر می کنند که می تواند برای تعیین اطلاعات در مورد ساختار نمونه تجزیه و تحلیل شود.
الکترونیک RF مسئول تولید و کنترل پالس های فرکانس رادیویی مورد استفاده برای تحریک و تشخیص سیگنال NMR است (یک نوسان ساز RF است).
این الکترونیک معمولاً از یک فرستنده که پالس RF را تولید می کند و یک گیرنده که سیگنال حاصل از نمونه را تشخیص می دهد، تشکیل شده است.
یکی از چالش های کلیدی در طراحی الکترونیک RF در رزونانس مغناطیسی هسته ای، نیاز به کنترل دقیق زمان بندی و خصوصیات پالس های RF است.
مدت زمان، دامنه، فرکانس و فاز پالس ها همگی نقش مهمی در تعیین کیفیت طیف حاصل دارند. طیف سنج های مدرن رزونانس مغاطیسی هسته ای، اغلب از نرم افزار و سخت افزار پیچیده ای برای خودکارسازی و بهینه سازی این پارامترها برای دستیابی به بالاترین حساسیت و وضوح ممکن استفاده می کنند.
سیستم های جمع آوری داده ها برای جمع آوری و دیجیتالی کردن سیگنال های NMR استفاده می شوند و بخش های نرم‌افزاری برای پردازش و تجزیه و تحلیل داده ها هستند.
سیستم آشکارسازی
سیستم آشکارسازی طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ای، مسئول اندازه گیری سیگنال های تولید شده توسط نمونه مورد آنالیز است.
پس از اینکه گیرنده سیستم تحریک و کنترل RF، سیگنال منتشر شده از ماده را دریافت می کند، به آشکارساز می فرستد تا سیگنال را تقویت کرده و آن را به یک جریان الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل کند.
انواع مختلفی از آشکارسازها در طیف سنج های NMR استفاده می‌شود، از جمله:
آشکارسازهای آنالوگ
آشکارسازهای دیجیتال
آشکارسازهای آنالوگ معمولاً از ترکیبی از فیلترها، تقویت‌کننده ها و دمدولاتورها برای پردازش سیگنال استفاده می کنند، در حالی که آشکارسازهای دیجیتال از تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتال برای ارائه وضوح و حساسیت بهتر بهره می برند.
لوازم جانبی دیگر
علاوه بر این اجزای کلیدی، طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ای به تعدادی دستگاه جانبی نیز برای جابجایی نمونه و جمع آوری داده ها نیاز دارند.
این دستگاه های جانبی را می توان برای افزایش عملکرد این طیف سنج ها استفاده کرد. برای مثال، تعویض کننده های اتوماتیک نمونه، اغلب برای خودکار کردن فرآیند بارگذاری چند نمونه در طیف سنج استفاده می شوند که آنالیز کارآمد تعداد زیادی از نمونه ها را ممکن می سازند.
سیستم خنک کردن نمونه می تواند حساسیت و وضوح را در انواع خاصی از آزمایشات رزونانس مغناطیسی هسته ای بهبود ببخشد. معمولاً از ژاکت های هلیومی برای این منظور استفاده می شود.
کرایوپروب ها که معمولاً برای کاربردهای NMR با حساسیت بالا استفاده می شوند نیز در دماهای پایین کار می کنند و نیاز به خنک سازی دارند.
