Tuumamagnetresonantsspektroskoopia

Tuumamagnetresonantsspektroskoopia (lühend TMR-spektroskoopia) on raadiosagedusdiapasoonis töötav spektroskoopia liik, mille puhul spektri saamiseks rakendatakse tugevasse püsimagnetvälja (4...24 T) viidud aine aatomituumade ergastamist ja sellele järgneva kiirguse registreerimist.

Erinevate aatomituumade signaalide sagedused on väga erinevad. Nad on lineaarses sõltuvuses tuuma güromagnetilisest konstandist ja talle rakenduva magnetvälja tugevusest, ulatudes praeguste TMR-spektromeetrite korral mõnest megahertsist umbes 1 gigahertsini. Vajalik magnetväli saadakse enamasti ülijuhtmagneti abil.

Enim mõõdetavad tuumad (isotoobid) on 1H, 13C, 19F, 31P, jt.

TMR on üks olulisematest orgaaniliste ühendite struktuuri uurimise ja identifitseerimise meetoditest.

Eestis kasutatakse tuumamagnetresonantsspektromeetriat näiteks Tartu Ülikoolis, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis ja Tallinna Tehnikaülikooli keemiainstituudis.
Peamised TMR-spektromeetrite tootjad on Bruker BioSpin Gmbh, Varian Inc. ja Jeol Inc.

Ajalugu
Tuumamagnetresonantsi kui nähtust kirjeldas esimesena 1938. aastal Isidor Isaac Rabi, kes sai 1944. aastal selle avastuse eest füüsika Nobeli auhinna. 1952. aastal pälvisid Felix Bloch ja Edward Mills Purcell Nobeli füüsikaauhinna, töötades välja tehnika, mis võimaldab mõõta lahuseid ja tahkiseid. Edasi algas TMR-i hüppeline areng, mille käigus 1950. aastatel hakati TMR-i kasutama laialdaselt orgaaniliste ühendite analüüsiks. 1970. aastatel arendati välja 2D TMR spektroskoopia. Tänapäeval on TMR leidnud kasutust väga paljudes valdkondades, eelkõige keemias. 1991. aastal sai Richard R. Ernst Nobeli auhinna Fourier' teisenduste ja mitmedimensioonilise TMR-i arendamise eest.

Olemus
Tuumamagnetresonantsspektroskoopia on aatomspektroskoopia liik, mis võimaldab mõõta aatomeid, mille spinn pole 0. Spinn iseloomustab tuuma asendit magnetväljas. Tuumade võimalike spinnide arvu iseloomustab spinnkvantarv (I). Vastavalt spinnkvantarvule jagunevad aatomite tuumad: I=(0; 0,5; 1; 1,5; jne).

Tuumade mõõdetavus
TMR-is on hästi mõõdetavad need tuumad, mille spinnkvantarv on 0,5, näiteks 1H, 13C, 31P, 15N, 19F. Kaks esimest on eriti laialt kasutatavad, kuna TMR-iga on väga lihtne tuvastada orgaanilisi ühendeid. Mõnedel looduses leiduvatel tuumadel on aga spinnkvantarv 0, näiteks 12C ja 16O, ning seetõttu on need TMR-i jaoks inaktiivsed.
Tuumade mõõdetavus oleneb ka nende leidumisest looduses. Näiteks 1H tuumi leidub proovides 99,99%. Seetõttu pole vaja proovi selle tuumaga rikastada ja prootonspektri mõõtmine toimub kiiresti (kuni 10 sekundiga). 13C tuumi on looduses aga ainult 1,07% ja süsinikspektri mõõtmiseks peab mõõtmisaega pikendama, tehes kordusmõõtmisi.

Energiatasemete erinevus
Tavaolekus on tuumad ühel energiatasemel. Viies proovi magnetvälja ja rakendades raadiosagedusliku impulsiga kiirgust, ergastatakse tuumad. Selle tulemusena on mõned tuumad mõjuva magnetväljaga samas suunas ja mõned tuumad vastassuunas.  Osakeste jaotust kõrgema ja madalama energiataseme vahel väljendab valem: 
 
Nk/Nm= e–cγβ0=1-cγβ0,

kus Nk on osakeste arv kõrgemal energianoovil, Nm osakeste arv madalamal energiatasemel, c võrdetegur, β0 välise magnetvälja tugevus ja γ güromagnetiline suhe . Võrdetegur c on avaldatav kui h/kB*T, kus h on Plancki konstant, kB Boltzmanni konstant ning T temperatuur .

Relakseerumine
Kui kiirituse mõju on lõppenud, hakkavad tuumad relakseeruma ehk pöörduvad tagasi oma algasendisse. Relakseerumise käigus tuumad tiirlevad ümber oma telje ehk pretsesseeruvad. Relakseerumise tulemusena tuumade tekitatav magnetväli muutub ning seda muutust mõõdetaksegi. Relakseerumise käigus saadakse aeg-signaal spekter, mis näeb välja nagu siinus- või koosinusfunktsiooni graafik, juhul kui kõik tuumad pretsesseeruvad samasuguse sagedusega. Tavaliselt toimub pretsesseerumine aga erineva sagedusega ning seetõttu on mõõdetud spektri põhjal keeruline uuritava aine struktuuri analüüsida. Rakendades aeg-signaal spektrile Fourie teisendust, saadakse sagedus-signaal spekter.

Keemiline nihe
Keemiline nihe väljendab tuuma resonantssageduse suhet standardtuuma sagedusse. Olenevalt magnetvälja tugevustest on spektromeetritel raadiosagedused erinevad, seetõttu on kahe erineva sagedusega masinaga mõõdetud spektreid keeruline võrrelda. Selleks võeti kasutusele keemiline nihe, mis on avaldatav

ϭ= 106*(ν-νs)/ νs,

kus ν on signaali sagedus ja νs standardtuuma signaali sagedus. Kui sageduse ühikuks on Hz, on keemilise nihke ühikuks ppm ehk miljondik osa.

Millest keemiline nihe sõltub? 
Keemiline nihe sõltub aatomituuma ümbrusest. Tuuma ümbritsevad elektronid ning nende liikumine tekitab lisamagnetvälja, mis on aatomituuma jaoks välist magnetvälja nõrgestava toimega (vastupidises suunas välise magnetväljaga). Välise magnetvälja muutust, mis on põhjustatud tuuma ümbritsevate elektronide poolt, nimetatakse varjestuseks.
Keemilist nihet mõjutab ka naaberaatomi elektronegatiivsus. Mida suurem on naaberaatomi elektronegatiivsus, seda tugevamini tõmbab see elektrone enda poole, mõõdetava tuuma varjestus väheneb ja seetõttu tuuma keemiline nihe suureneb.
Ka kordsed sidemed mõjutavad keemilist nihet, kuna kordseid sidemeid moodustavad π elektronid, mis on võimelised tekitama uue magnetvälja. 
Üldiselt kehtib rusikareegel: mida suurem varjestus, seda väiksem keemiline nihe uuritaval tuumal.

Korrelatsioonitabelid
Keemilise nihke alusel on enammõõdetavad rühmad jaotatud korrelatsioonitabelitesse, kusjuures tasub jälgida, et keemilise nihke skaala kasvab paremalt vasakule. Samuti on tuumade keemiliste nihete vahemikud vägagi erinevad. Näiteks 1H keemilised nihked jäävad vahemikku 0…20 ppm, 13C omad 0…220 ppm, erandjuhtudel 400 ppm, kuid 15N keemiliste nihete vahemik võib jääda vahemikku −500…1200 ppm või 0...1700 ppm, olenevalt referentsainest, mida mõõtmistel kasutatakse. Seega tuleks enne tulemuste võrdlemist veenduda, millise standardaine suhtes andmed on saadud. 1H ja 13C TMR-i juures on standardaineks tetrametüülsilaan (TMS).

Spinn-spinn vastasmõju

 
TMR-i spektrites ei ole alati sirged piigid, seda eriti 1H spektri korral. Piiki lõhestavad naaberaatomite tuumad, kuna nende spinn võib olla mõõdetava aatomituuma seisukohalt nii sama- kui ka vastassuunaline. Lõhestav efekt ilmneb tavaliselt kolme sideme kaugusel asetsevatel tuumadel. Sõltuvalt sellest, kui palju on mõõdetaval aatomil naabervesinikke, nii mitmeks lõheneb ka tema piik spektris. Seejuures kehtib multipletsuse reegel:

kui spinn lõhestab n omavahel ekvivalentset spinni X, lõheneb A signaal 2nIx+1 jooneks,

kus Ix on tuuma X spinn.

Kui meil on tegemist tuumadega, mille spinn on 0,5, muutub võrrand lühemaks ning spektrisse tekib n+1 joont.

Joonte intensiivsused on sel juhul leitavad Pascali kolmnurka kasutades. Kui naabervesinikud ei lõhesta tuuma, on n väärtus 0 ja spektrisse tekib 1 joon (singlett). Kui lõhestavaid tuumasid on 1 (n on 1), lõheneb signaal kaheks võrdse intensiivsustega piigiks. Kui lõhestavaid tuumasid on 2 (n on 2), lõheneb signaal kolmeks piigiks intensiivsuste suhtega 1:2:1. Pascali kolmnurga koostamiseks tuleb kasutada liitmisvõtet.

Kui lõhestavad tuumad on keemiliselt ekvivalentsed, tekivad esimest järku multipletid. Nende korral on võimalik multipletile anda nimetus, vaadates piigi kuju ja intensiivsust. Kõrgemat järku multiplett tekib siis, kui lõhestavad tuumad ei ole keemiliselt ekvivalentsed. Sel juhul peab lõhenemise mõistmiseks välja joonistama lõhenemiskahvli. Lõhenemiskahvel on skeem, mille põhjal saab määrata spinn-spinn lõhenemiskonstandid ning anda multiplettidele nimetused.

2D-tuumamagnetresonantsspektroskoopia

Kui ühedimensionaalne spekter on vaadeldav x-y tasapinnas, kus üks mõõde on sagedus ning teine intensiivsus, siis kahedimensionaalse spektri korral on sagedus kahes mõõtmes (x, y) ning kolmas mõõde on intensiivsus (z). Kahemõõtmeline spekter võimaldab saada parema signaalide lahutuvuse, kuna mõõdetakse korraga mitut vastasmõju ja seeläbi saab teada, millised tuumad üksteist mõjutavad.

2D-spektri tekitamiseks mõõdetakse mitu 1D-spektrit, kus muudetakse mingit kindlat parameetrit iga mõõtmise ajal ning tulemused esitatakse tavaliselt topograafilise kaardina. Nendelt kaartidelt on võimalik välja lugeda, millised tuumad üksteist mõjutavad, kuna on teada mitmeid korrelatsioonspektreid.

COSY (korrelatsioonspektroskoopia, inglise keeles correlation spectroscopy) on kõige populaarsem 2D homonukleaarne korrelatsioonspektroskoopia. COSY spektri puhul on mõlemal teljel sama isotoobi spektrid. Kõige levinumad on 1H- COSY spektrid. Spektri ristpiikide alusel saab tuvastada, millised tuumad üksteist lõhestavad ja millised vesinikud asuvad üksteise naabruses. 
HETCOR (heteronukelaarne korrelatsioonspektroskoopia, inglise keeles heteronuclear correlation) spektrist on võimalik aga välja lugeda, millised süsinikud ja vesinikud on omavahel seotud.

Spektri mõõtmine ja interpreteerimine

Kõigepealt tuleb uuritav aine lahustada sobivas solvendis, kusjuures peab silmas pidama, et lahusti ei segaks analüüdi piike. Näiteks ei tohiks lahusti sisaldada 1H tuumasid, kui soovitakse mõõta prootonspektrit. Sel juhul tuleb kasutada lahusteid, kus prooton on asendatud deuteeriumiga, näiteks deutereeritud triklorometaan (CDCl3). Saadava signaali intensiivsus sõltub otseselt ka proovi kontsentratsioonist, seega loetava spektri saamiseks ei tohiks kontsentratsioon väga madal olla.

Proov viiakse spetsiaalse tuubiga spektromeetrisse, kuhu on eelnevalt paigaldatud mõõtepea. Olenevalt sellest, kui keerulist ühendit uuritakse, tuleb mõelda ka spektromeetri magneti tugevusele, kuna sellest oleneb spektri detailsus.

Proov pannakse pöörlema, teostatakse shimmimine. Shimmimine on magnetvälja homogeensemaks muutmine ja vajalik selleks, et tuumadele mõjuv magnetväli oleks võimalikult ühtlane.

Mõõdetakse magnetvälja tugevuse muutust ajas. Saadud sõltuvusele rakendatakse Fourie teisendust, mille tulemusena saadakse sagedus-signaal spekter. Vajadusel töödeldakse saadud signaali erinevate akenfunktsioonidega. Vastavalt funktsiooni valikule on võimalik saada peenemaid piike ja tõsta spektri kvaliteeti.
 
Seejärel tuleb määrata piikide asukohad, integreerida signaalide intensiivsused ning interpreteerida spekter, kasutades korrelatsioonitabeleid.

Viited

Välislingid
 http://www.bruker-biospin.com/
 http://www.varianinc.com/
 http://www.jeol.com/

Tuumafüüsika
Spektroskoopia