موضوع مقاله: طیف‌شناسی تشدید مغناطیسی هسته‌ای | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # طیف‌شناسی تشدید مغناطیسی هسته‌ای | مقدمه: از آنجایی که استفاده اصلی آنالیز NMR در شناسایی و مطالعه ترکیبات آلی است، امروزه آنالیز NMR در شناسایی داروها، پلیمرها و مواد بیوشیمیایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. | ## بخش 1: طیف‌شناسی تشدید مغناطیسی هسته‌ای | کارکرد طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) اطلاعات بسیار ارزشمندی را در خصوص ساختار یک ترکیب بدست می‌دهد زیرا به طور مستقیم، هسته اتم کربن ۱۳ را در «C−13NMR» مورد بررسی قرار می‌دهد یا این‌که در رزونانس مغناطیسی هسته پروتون، هسته اتم هیدروژن پیوندی مورد بررسی قرار می‌گیرد. بسیاری از هسته‌های اتم‌ها حول خود میچرخند در حقیقت، هسته اتم‌هایی که عدد جرمی فرد یا عدداتمی فرد یا هر دو را دارند ، دارای گشتاور زاویه ای اسپین کوانتایی و گشتاور مغناطیسی هستند. هسته‌های ایزوتوپ‌های معمولی و فراوان‌ترین ایزوتوپ‌های کربن و اکسیژن یعنی ^12_6Cو ^16_8O در میان هسته‌های فوق نیست. برای هسته‌هایی که اسپین دارند، تعداد حالات اسپین مجاز کوانتایی بوده و به وسیله عدد کوانتومی اسپین هسته I نعیین میگردد که این عدد یک ثابت فیزیک برای یک هسته می‌باشد . برای یک هسته با عدد کوانتمی اسپین I تعداد حالات اسپین مجاز 1+2I بوده که از I- تا I+ را در بر میگیرد. در غیاب یک میدان مغناطیسی تمام حالات اسپین یک هسته ترازهای انرژی برابری را داشته (دژنره هستند)، و در مجموعه‌ای از اتم‌ها تمام حالات اسپین باید تقریبا به یک اندازه اشغال شده باشند که تعداد یکسانی از اتم‌ها هر یک از اسپین‌های مجاز را داشته باشند. بنابراین یک هسته دارای گشتاور مغناطیسی بوده که به وسیله بار و اسپین آن تولید می‌شود . یک هسته هیدروژن می‌تواند اسپینی (چرخشی) موافق جهت عقربه‌های ساعت ( ) یا مخالف جهت عقربه‌های ساعت داشته باشد و در این دو حالت گشتاورهای مغناطیسی هسته در دو جهت مخالف میباشند. در یک میدان مغناطیسی تمام پروتون‌ها گشتاور مغناطیسی خود را یا در جهت میدان و یا در جهت خلاف آن قرار می‌دهند. بنابراین هنگامیکه یک میدان مغناطیسی خارجی به کار برده شود حالات اسپین دژنره به دو حالت، با ترازهای انرژی نابرابر شکافته می‌شوند. طیف سنج اگر برای پروتون میدان مغناطیسی اعمال شده دارای قدرت تقریبی ۱۴۱۰۰ گاوس باشد ، اختلاف انرژی بین دو حالت اسپین حدود kcal/mole ۱۰^-6 × ۵/۷۲ خواهد بود . تابشی با فرکانس حدود MHz ۶۰ ، که در ناحیه فرکانس رادیو طیف الکترومغناطیس قرار دارد، چنین اختلاف انرژی ای را در بر می‌گیرد . اختلاف انرژی بین حالات اسپین در هسته‌های دیگر بیشتر یا کمتر از آنچه در هیدروژن مشاهده می‌شود ، است. بسیاری از طیف سنجهای رزونانس مغناطیسی هسته ای از یک میدان مغناطیسی متغیر با قدرتی حدود ۱۴۱۰۰ گوس و تابش فرکانس رادیو ثابت MHz ۶۰ استفاده می‌کنند. این طیف سنج‌ها فقط انتقالات میان حالات اسپین پروتون یک مولکول را انجام داده ولی قادر به انجام چنین عملی برای هسته‌های دیگر نیستند. | ## بخش 2: طیف‌شناسی تشدید مغناطیسی هسته‌ای | سلول نمونه یک لوله شیشه ای استوانه ای شکلی است که در فضای مابین دو قطب مغناطیس قرار میگیرد. جهت اطمینان از این که تمام قسمتهای محلول میدان مغناطیسی نسبتا یکنواختی را احساس می‌کنند نمونه حول محور خود می‌چرخد. در فضای میانی مغناطیس یک سیم پیچ قرار دارد که به مولد فرکانس رادیو (RF) MHz ۶۰ متصل است. اگر جذب انرژی صورت نگیرد سیم پیچ آشکار کننده هیچگونه انرژی خروجی از سیم پیچ RF را دریافت نمی کند. هنگامی که نمونه انرژی جذب نماید، جهت گیری مجدد اسپین‌ها تولید یک سیگنال فرکانس رادیو در صفحه سیم پیچ آشکار کننده کرده و دستگاه آن را به صورت یک سیگنال رزونانس یا قله نمایش می‌دهد. برای به رزونانس درآوردن پروتون‌های گوناگون یک مولکول، طیف سنج nmr به جای تغییر فرکانس RF ، سیگنال آن را ثابت نگاهداشته و قدرت میدان مغناطیسی را تغییر می‌دهد. مغناطیس دستگاه در واقع یک وسیله دو قسمتی است؛ یک مغناطیس اصلی با قدرت ۱۴۱۰۰ گوس که به وسیله قطبین الکترومغناطیسی پوشانده شده است و با تغییر جریان از طریق قطبین می‌توان قدرت میدان اصلی را به میزان چند ppm افزایش داد. هر پروتون مغناطیسی نامتعادل یک جابجایی مشخصه دارد و جفت شدن به پروتون‌های دیگر به صورت تقسیم قله ها به چندگانه ظاهر می‌شود: به عنوان مثال. قله a، به دلیل وجود سه پروتون مغناطیسی معادل در گروه متیل a، به یک پروتون مجاور (e) جفت می‌شود و بنابراین به صورت یک دوتایی ظاهر می‌شود. محافظت الکترون چون پروتونهایی که شدیدا محافظت شده اند با سرعت کمتری نسبت به پروتونهای محافظت نشده می‌چرخند، بنابراین ضروری است که میدان را افزایش داده تا آنها را در MHz ۶۰ به چرخش محوری وا داشت. پس پروتون‌های با مانع زیاد (شدیدا " محافظت شده از طرف (الکترون‌ها در طرف راست کاغذ و پروتونهای با مانع کم در طرف چپ کاغذ ظاهر می‌شوند. تغییر میدان مغناطیسی در طیف سنج به مثابه تغییر فرکانس RF بوده و افزایش قدرت میدان مغناطیسی به میزان ppm ۱ کاهشی به میزان 1ppm را در فرکانس RF در برخواهد داشت. اجزا مگنت یا آهن ربا مگنت قلب یک دستگاه NMR است زیرا هم حساسیت و هم قدرت تفکیک طیف سنج به شدت به قدرت و کیفیت مگنت (آهن ربا) آنها مرتبط است. بنابراین کار کردن با بالاترین قدرت میدان یک مزیت است ضمن این که همگنی و تکرارپذیری میدان نیز بسیار با اهمیت است. خصوصیات و ویژگی‌های مگنت در تفکیک بالا، دقت، حساسیت و تکرار پذیری آنالیزها بسیار تاثیرگذار است. | ## بخش 3: طیف‌شناسی تشدید مغناطیسی هسته‌ای | میدان مغناطیسی القایی ایجاد شده باید محیطی برای نمونه فراهم کند که تا یک قسمت در 108 همگن باشد و باید تا درجه مشابهی در زمان‌های کوتاه پایدار بماند. هم آهن رباهای دائمی و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی با ابعاد بزرگ در طیف سنج‌های بکار می‌روند. بزرگ ترین قسمت دستگاه مربوط به تانکی ست که نقش یک خنک کننده بزرگ برای سیم پیچ ابررسانا را که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، دارد. این خنک کننده با دو مایع بسیار سرد، یعنی هلیوم مایع و نیتروژن مایع پر شده است تا دمای 269- درجه سانتی گراد را سیم پیچ فراهم کند. خاصیت مغناطیسی به صورت میدان القای مغناطیسی یا چگالی شار مغناطیسی با نماد B و با واحد تسلا (T) در دستگاه واحدهای SI معرفی شده‌اند. طیف سنج‌های NMR معمولا با رابطه با فرکانس پروتون حاصل از دستگاه نامگذاری می‌شوند مثلا ،60MHz, 100MHz یا 400MHz با عبور یک جریان مستقیم از یک جفت سیم پیچ که به طور موازی با میدان مغناطیسی قرار دارند امکان تغییر میدان موثر را بدون از دست رفتگی همگنی میدان فراهم می‌شود. منبع رادیویی منبع در NMR یک مولد فرکانس رادیویی است که انرژی مورد نیاز برای تغییر جهت اسپین پروتون ها یا هسته‌های غیر پروتونی دیگر را فراهم می‌کند. علامت حاصل از منبع به داخل یک جفت سیم پیچ که عمود بر مسیر میدان قرار گرفته اعمال می‌شود که سبب می‌شود پرتو تابش قطبیده مسطح شود. منبع باید فرکانس ثابتی نشر کند و برای آنالیزهای با تفکیک بالا باید تا حدودیک قسمت در 108 ثابت باشد. برای استفاده از حلال‌های دیگر،حلال به کار برده شده یا بخشی از آن باید دوتریوم دار باشد، یعنی به جای هیدروژن مولکول حلال، اتم‌های دوتریوم قرار گرفته باشد. سل نمونه شامل یک لوله شیشه ای استوانه ایست به قطر 5 میلی متر که معمولا حدود 4 میلی متر از نمونه در آن قرار داده می‌شود. وقتی نمونه وارد دستگاه می‌شود، یک جریان سریع هوا محفظه نمونه را می‌چرخاند تا نمونه یکنواخت تری برای بررسی آماده شود. ضمن این که با چرخش نمونه حول محور خود تمام قسمت‌های محلول میدان مغناطیسی نسبتا یک نواختی را احساس می‌کنند. آشکارساز و ثبات هنگامی که نمونه انرژی جذب نماید، جهت گیری مجدد اسپین ها تولید یک سیگنال فرکانس رادیویی می‌کند. سیگنال حاصل از هسته‌های در حال رزونانس به وسیله سیم پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده و عمود بر سیم پیچ منبع قرار دارد آشکار می‌شود. | ## جمع‌بندی | علامت الکتریکی تولید شده کوچک است و برای ثبت شدن باید تقویت گردد (با ضریبی برابر با 105 یا بیشتر).