Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, yaygın bilinen adıyla NMR spektroskopisi, atom çekirdeğinin belirli manyetik özelliklerini kullanan bir araştırma tekniğidir. İçerisindeki atomların ya da moleküllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirler. NMR spektroskopisi nükleer manyetik rezonans olgusuna dayanmaktadır ve içerisindeki atomun ya da molekülün yapısı, dinamiği, reaksiyon durumu ve molekülün kimyasal çevresi hakkında detaylandırılmış bilgi sağlar. Molekül içerisindeki bir atomun atom içi manyetik alanı, rezonans frekansını değiştirdiği için molekülün elektronik yapısının detaylarına erişimi sağlar.
Spin sahibi çekirdek içeren her türlü örneğe uygulanabilir olmasına rağmen en yaygın olarak NMR spektroskopisi kimyagerler ve Biyokimyacılar tarafından organik moleküllerin özelliklerini araştırmak için kullanılır. Tek boyutta proton ya da karbon-13 NMR spektroslopisiden, proteinler ya da nükleik asitlere kadar her türlü uygun örnek 3 ya da 4 boyut teknikleri kullanılarak analiz edilebilir. NMR spektroskopisi örneklerin geniş bilgi kapasitesi, katı ve çözelti içeren çeşitli örnekleri kullanabilmesinden dolayı bilimler üzerinde önemli etkiye sahiptir.
NMR spektroskopisi, iyi çözülmüş, analitik izlenebilir ve genellikle son derece küçük moleküller için öngörülebilir ve nadirdir. Bu nedenle, organik kimya da NMR analizi bir madde kimliğini doğrulamak için kullanılır. Farklı Fonksiyonel gruplar açıkça ayırd edilebilir ve aynı fonksiyonel gruplar ile ayrı komşu gruplar hala ayırt edici sinyaller verir. NMR büyük ölçüde geleneksel ıslak kimyada renk belirteçlerini tanımlamakta kullanılır. Bir dezavantajı bu nispeten büyük miktarda, 250 mg, o yeniden elde etmek, ancak saf bir madde gereklidir. Tercihen, NMR analizi katı bir özel MAS makine gerektirir ve eşit derecede iyi çözülmüş spektra vermeyebilir çünkü örnek bir çözücü içinde çözünmüş. NMR zaman ölçeği nispeten uzundur ve bu nedenle sadece ortalama spektrumlar için üretilmişlerdir, hızlı olayları gözlemlemek için uygun değildir. Çoğunlukla büyük miktarda yabancı maddeleri NMR spektrumu göstermesine rağmen, NMR doğal olarak çok hassas olmadığı için bu maddeleri tanımlamak için daha iyi teknikler vardır.
Korolasyon sepktrokopisi normal NMR' ın bir geliştirmesidir. İki boyutlu NMR' da, emisyon tek bir frekans etrafında merkezlenir ve korolasyon rezonansları gözlenir. Bu durum gözlenmiş foksiyonel grupların komşu dallanmalarının belirlenmesine bu ise rezonansların tam olarak belirlenmesine olanak sağlar. Buna ilaveten daha komplex 3D ve 4D teknikler ve belirli rezonansları bastırmak ve/veya çoğaltmak amaçlı dizayn edinmiş bir yığın metot vardır. Nükleer Overhauser (NOE) etkisi spektrometrisinde rezonansların rehatlaması gözlenir. NOE çekirdeklerin yakınlaşmasına bağlı olduğundan, her çekirdeğin NOE miktarının belirlenmesi molekülün üç boyutlu yapısının inşasına izin verir.
NMR Spektroskopisi pahalı olmasından ötürü genellikle üniversitelerde bulunmaktadır, özel şirketler de yaygın olarak kullanılmamaktadır. Modern NMR spektroskopiler oldukça güçlü, geniş ve pahalı sıvı helyum soğutmalı süper iletken mıknatısa sahiptir, çünkü içerisindeki maddenin çözünürlüğü manyetik alanın kuvvetine bağlıdır. Daha ucuz olan versiyonları, reaksiyon gözlemleme ve örnekleri hızlı tespit etmek için yeterli performansı sağlayan yerleşik mıknatıslar ve daha az çözünürlük kullanırlar. Hatta tezgah üstü nükleer manyetik rezonans spektrometreler mevcuttur. NMR militesladan daha bir magnetik alanda gözlenebilir. Düşük çözünürlüklü NMR birbiriyle rahatça örtüşmesinden dolayı karışık yapıları çözmede problemlere neden olan daha geniş zirveler üretir. Yüksek güçte manyetik alan kullanımı zirvelerin temiz çözünürlüğü ile sonuçlanır ve endüstride standarttır.
Tarihçe
1940'ların sonu ve 1950'lerin başında birbirlerinden bağımsız olarak Harvard Üniversitesi'nden Purcell grubu ve Stanford Üniversitesi'nden Bloch grubu NMR spektroskopisini geliştirmişlerdir. Bu çalışmalarından dolayı Dr. Edward Mills Purcell ve Dr. Felix Bloch 1952 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşmışlardır.
Temel NMR Teknikleri
Rezonant frekansı
Bir manyetik alanın içine yerleştirildiğinde NMR aktif çekirdekleri (1H ya da 13C gibi) elektromanyetik radyasyonu izotopun karakteristiğinin frekansında absorbe ederler. Bu yankılanma frekansı, emme enerjisi ve sinyallerin yoğunluğu manyetik alanın büyüklüğüyle orantılıdır. Örneğin 21 tesla manyetik alanı içerisinde protonlar 900 MHz ile yankılanırlar. Farklı çekirdek resonatlarının bu alan kuvvetinde manyetik momentlerine oranla farklı frekanslarda olsalar da 21T magnet genelde 900 MHz magnet olarak düşünülür.
Numune eldesi
Tipik olarak, bir NMR spektrometresi çok güçlü bir magnetin içinde dönen bir numune tutucudan, bir radyo frekansı vericisinden ve alıcısından ve sistemi kontrol eden eltronik birimlerden oluşur. Radyo frekansı alıcısında bir proba (bir anten takımı) sahiptir. Prob magnetin içine uzanır ve numunenin çevresini sarar. Bu ekipmanlara ek olarak tercihe bağlı olarak difüzyon ölçümleri için gradyan bobinler de diğer bileşenlere dahil olabilir. Numunenin döndürülmesi genellikle ortalama bir difüzyon hareketi eldesi için önem ifade eder. Fakat, bazı deneyler, eğer çözelti hareketi önemli bir değişken ise, numunenin sabitliğini gerektirebilir. Örneğin, difüzyon kat sayısı ölçümleri (difüzyon sıralı spektroskopi -diffusion ordered spectroscopy -DOSY) numune sabit tutularak yapılır ve akış hücreleri işlem akışının bilgisayarlı analizinde kullanılabilir.
Dötorlenmiş solusyonlar
Çözelti içindeki çoğu molekül çözücü molekülüdür ve hidrokarbonlar düzenli çözücülerin çoğunu içine alır, bundan dolayıdır ki NMR aktif protonlar içerirler. Sadece çözücüden gelen hidrojen atomlarının sinyallerinin belirlenmesini engellemek için protonların %99 dan fazlası deuterium (hidrojen-2) ile değiştirildiğinde dötorlenmiş çözücüler kullanılır. En yaygın kullanılan dötorlenmiş çözücü deuterokloroform (CDCl3), olmasına karşın numunenin çözünürlüğüne göre diğer çözücülerden de faydalanılabilir. Deuterium oksit (D2O) ve dötorlenmiş DMSO (DMSO-d6), CDCl3 genellikle çalışmadığında tercih edilir. Gerek olduğunda başka dötorlenmiş çözücülerde kullanılabilir. Bir molekülün kimyasal kaymaları çözücüler arası az değişir ve kullanılan çözücü sıklıkla kimyasal kayma ile beraber not edilir. NMR spektrası sıklıkla, eklenmiş tetrametilsilan yerine, bilinen bir çözücü proton zirvesi ile kalibre edilir.
Layner ve kilit
NMR' dan kaynaklanan kükük frekans kaymalarını belirlemek için uygulanan manyetik alan numune hacmi bıyunca sabit olmalıdır. Yüksek çözünürlüklü NMR spektrometreleri birim alandaki magnetik alanın homojenliğini ayarlamak için laynerleri kullanır. Homojensizliği ve magnetik alandaki kaymayı belirlemek ve sorunu çözmek amaçlı spektrometre çözücü döteryum frekansı üzerine bir "kilit" uygular, bunu ayrı bir kilit birimi kullanarak yapar. Modern NMR spektrometrelerde laynerleme otomatik olarak ayarlanır ancak bazı durumlarda cihazı çalıştıran kimse layner parametrelerini, olarak en iyi mümküm çözünürlüğü elde etmek için, manuel olarak optimize etmek zorundadır.
Spektranın eldesi
Bir radyo frekansı (601000 MHz) darbesi ile numunenin heycanlanmasına bağlı olarak bir nükleer manyetik rezonans cevabı - bir serbest uyarım bozulması(free induction decay-FID) elde edilir. Bu çok zayıf bir sinyaldir ve alınması için hassas rayo alıcısı gerekir. Ham zaman alan FID' den frekans alan spektrumu çıkartmak için Fourier transform uygulanır. Bir tek FID' den elde edilen bir spektrum düşük bir sinyal gürültü oranına sahiptir ama bu tekrarlanmış alımların ortalamasının alınması ile kolayca gelişir. İyi bir 1H NMR spetrası 16 tekrarla elde edilebilir. 16 tekrar sadece birkaç dakika sürer. Ancak hidrojenden ağır elementler için rahatlama süresi daha uzundur, 13C için 8 saniye. Bundan dolayı, ağır elementlerin kantitatif spektrası uzun zaman, onlarca dakikadan saatlerceye kadar, alabilir
Darbeyi takiben, çekirdekler, ortalama olarak, belirli bir açı ile spektrometre manyetik alanına karşı heyecanlanırlar. Heyecanlanmanın büyüklüğü darbe kalınlığı ile ölçülebilir. Genelde kalınlık optimal 90 darbe için 3-8 μs' dir. Darbe kalınlığı (işaretlenmiş) yoğunluğu bir darbe kalınlığı foksiyonu olarak çizerek belirlenebilir. Bu bir sinüs eğrisini takip eder ve buna nedenle 180 ve 360 darbelere karşılık gelen darbe kalınlıklarındaki işareti değiştirir.
Heyecanlanmanın bozulma zamanları genellikle saniyelerle ölçülür ve rahatlamanın etkililiğine göre değişir. Hafif çekirdekler ve katılarda bozulma daha hızlı olurken ağır çekirdekler ve çözeltilerde daha yavaştır ve gazlarda çok daha yavaş olabilir. Eğer rahatlama tamamlanmadan olgunlaşmamış ikinci heycanlanma darbesi gönderilirse ortalama manyetizasyon vektörü zemin hale bozulmaz. Bu durum ise sinyalin gücünü umulmadık bir şekilde etkiler. Pratikte, zirve bölgeleri stokiometriye oranlı değildir; foksiyonel grupların varlıkları tespit edilebilse de miktarları belirlenemez. Rahatlama süresini ve yani darbeleri arası ihtiyaç duyulan gecikmeyi belirlemek adına bir ters çevirme kurtarma deneyi gerçekleştirilebilir. Bir 180 darbe, ayarlanabilir bir gecikme, ve bir de 90 darbe iletilir. 90 darbe tam olarak sinyali iptal ettiğinde, gecikme, 90 rahatlama için gereken süreye karşılık gelir. Ters çevirme kurtarması kantitatif 13C, 2D ve diğer zaman tüketen deneyler için zahmete değerdir.
Kimyasal kayma
Dönen bir yük dönmesiyle orantılı olarak manyetik momentum kazanır, bunun sonucunda manyetik bir alan oluşturur. Dışarıdan bir manyetik alanın varlığında iki spin durumu gerçekleşir (her bir nukleus için 1/2 spin): bir spin yukarı diğer spin aşağı yönlüdür, biri manyetik alanı beslerken diğeri ona zıt yönlüdür. Manyetik alanın gücü arttıkça bu iki spin arasındaki enerji farkı artar. Ancak, bu iki spin arasındaki fark çok küçüktür ve güçlü bir NMR mıknatısına (1-20T) ihtiyaç duyulur. Spesifik çekirdek serisinin tam spin hali enerjisi ile numune ışıması ilgili serinin düşük enerji halinden yüksek enerji haline geçişi ile heycanlanmasına sebep olur.
Manyetik alanın kuvveti tarafından oluşturulan iki spin arasındaki enerji farkı atom çekirdeklerinin manyetik momentumuyla orantılıdır. Bütün protonlar aynı manyetic momentuma sahip olsalar bile, aynı frekans değerinde resonant sinyaller vermezler. Bu fark atom çekirdeklerinin farklı elektronik çevrelerle etkileşiminden doğar. Harici manyetik alanın uygulanması üzerine, bu elektronlar alana tepki olarak hareket eder ve daha güçlü uygulanan alana karşı durmak için yerel manyetik alanlar oluşturur. Yani bu lokal alan protonları uygulanan manyetik alandan korur. Bu yüzden de rezonansın başarılması(rf enerjisinin emilmesi) için manyetik alanın yükselmesi şarttır. Bu artışlar çok küçüktür ve genellikle her milyon da ppm'dir. Örneğin bir ladehit protonu Ca'ya kaydırılırsa, hidrokarbonların zirvesine oranla 10ppm olur çünkü elektron çeken grup elektronun yoğunluğunu azaltır. 2.3487T ile 2.3488 T arasındaki fark yaklaşım 42ppm'dir. Hatta ve hatta spektrometre magnetik alanı kaydırarak işlemi gerçekleştirebileceğine karşın genelde NMR sinyalini belirtmek için bir frekans cetveli kullanılır. Yani 100 MHz referans frekansı(rf) için 42 ppm, 4200 Hz' tir.
Ancak konumu verilen farklı NMR sinyalleri dışarıdan etki eden manyetik alanın kuvvetine ve referans frekansına bağlıdır, bu sinyaller genellikle referans sinyal ile ilişkili olarak rapor edilir. Ek olarak, NMR sinyallerinin dağılımı alana bağlı olduğu için bu frekanslar spektrometre frekansı tarafından ayrılır. Ancak hertz megahertz tarafından bölündüğü için, sonuç çok küçük olur ve milyon ile çarpılır. Çıkan bu sonuç kimyasal kayma olarak adlandırılan bir yer belirleyici verir. Böyle küçük frekans farklılıkları tespit etmek için uygulanan manyetik alan örnek hacmi boyunca sabit olmalıdır. Yüksek çözünürlüklü NMR spektrometreleri birkaç santimetre küplük bir hacme milyar (ppb) başına parça manyetik alan homojenliği ayarlamak için ışık kullanılabilir. Genel olarak protonlar için kimyasal kayma tahmin edilebilir çünkü kaymalardaha önce basit perdeleme etkisi kullanılarak belirlenir ama ağır çekirdekler için kimyasal kaymalar daha güçlü başka faktörler tarafından etkilenir(paramanyetik vb.)
Paramanyetik NMR spektroskopisinde ölçümler paramanyetik numuneler üzerinde yapılmaktadır. Paramanyetizma çok farklı kimyasal kaymalar meydana getirir 1H NMR spektroskopisi olarak, kimyasal kayma aralığı 500 ppm'e kadar yayılabilir.
Moleküller oda sıcaklığında oldukları için üç metil proton NMR deneyi sırasında ortalaması hesaplanır. Bu protonlar dejenere olurlar ve aynı kimyasal kayma da bir zirve formu alırlar.
Bu zirvelerin şekli ve alanı indikatörlerin kimyasal yapısıyla aynıdır. Yukarıdaki ethanol'ün proton spektrumu örneğinde CH3 zirvesi OH zirvesinden üç kat daha fazla alana sahiptir. Benzer şekilde CH2 zirvesi OH zirvesinin iki katıdır ama CH3'ün 2/3 katıdır.
Yazılımlar optimal gevşeme koşullarında zirvelerin sinyal yoğunluğunu analiz etmeye izin verir. Sinyal yoğunluğunun analizi integral ile sağlanır. Analizci zirveyi integrallemek zorundadır onun yüksekliğini ölçemez çünkü zirve aynı zamanda bir genişliğe sahiptir. Zirvenin boyutu onun yüksekliğine değil alanına bağlıdır. Ancak bulunan diğer çekirdekler veya proton sayısı belirtilmelidir çünkü tek boyuttaki NMR deneylerinde yoğunlukla orantılıdır. Daha ayrıntılı deneylerde, örneğin, genellikle Karbon-13 NMR spektrumlarını almak için kullanılan deneyler de sinyallerin integrali çekirdeğinin gevşeme hızına, skaler ve dipolar eşleme sabitlerine bağlıdır. Çoğu zaman, bu faktörler iyi bilinmemektedir, bu nedenle NMR sinyalin integralinin daha karmaşık NMR deneylerinde yorumlanması zordur.
j-eşlenme
Tek boyutlu NMR spektrumunda yapı tayini için en yararlı bilgilerin bazıları J-eşlenme veya skaler bağlamadan gelen. Bu birleştirme bir molekülün kimyasal bağlarındaki farklı spin durumlarının etkileşiminden meydana gelir ve NMR sinyallerinin bölünmesinin sonucudur. Bu bölünme modelleri karmaşık ya da basit olabileceği gibi açıkça yorumlanabilecek şekilde veya aldatıcı da olabilir. Bu birleştirme, bir moleküldeki atomlarının içindeki bağlantı hakkında ayrıntılı fikir edinmenizi sağlar.
n eşdeğerliğin (spin 1⁄2) de birleşen çekirdekler yoğunluğu Pascal Üçgenin de bahsedildiği gibi olan sinyalleri n+1 çoklu yapısının içine böler. Ek spinlerin birleşmesi her bir çoklu yapının bileşenleri içinfazladan dönüşe izin verecektir; örneğin iki farklı spinde önemli derece de farklı eşleşme sabitine sahip çekirdeklerin birleşmesi dubletin dubletine izin verir. Kimyasal eş değerlikteki çekirdek çiftleri arasındaki birleşme NMR spektrası üzerinde hiçbir etkiye sahip değildir ve çiftler için çekirdekler arasındaki mesafe (genellikle protonlar hariç esnek moleküllerde bağlar üçten fazladır) gözlemlenebilir ayrışmadan dolayı çok küçüktür. Üçten fazla bağa sahip uzun menzil birleşmeleridaha kompleks ayrılmalara izin veren halkalı ve aromatik birleşenler halinde sıklıkla gözlenebilir.
Örneğin, proton spektrumun da, etanol için yukarıda tarif edilen CH3 grubu komşusu CH2 protonları tarafından 1:2:1: yoğunluk oranıyla bölünmüştür. Benzer şekil de Similarly, CH2 komşusu CH3 protonları tarafından 1:3:3:1 yoğunluk oranıyla bölünmüştür. Prensip olarak CH2 protonları hidroksil protonları tarafından dörtlü dublet formu oluşturmak için tekrar dublet olarak bölünmüşlerdir fakat hidroksil asidin moleküler içi proton değişim bilgi kaybıyla sonuçlanmaktadır.
Bağ sabiti çok farklı olabilmesine rağmen, Fosfor-31 ya da Flor-19 gibi herhangi bir yarı spinli atom çekirdeği çalışabilir. Ama ayırma modelleri yukarıda bahsedilen çekirdekler için 1/2'den büyüktür çünkü kuantum spin numarası ikiden fazla değere sahiptir. Örneğin ağır hidrojen (spin 1 çekirdek) çiftlerinde sinyaller 1:1:1 üçlüsü şeklinde bçlünür çünkü bu spin 1 3 spin durumuna sahiptir. Benzer şekilde spin 3/2 çekirdekler sinyalleri 1:1:1:1 dörlüsünün içine bölerler.
Kimyasal kayma ile birleştirilmiş çiftler sadece çekirdeğin kimyasal çevresi hakkında değil molekülün içindeki NMR aktif çekirdeğinin komşularının sayısı hakkında da bize bilgi verir. Benzer noktalarda kimyasal kaymaya sahip çoklu zirveli daha kompleks spektralarda veya hidrojen farklı diğer çekirdeklerde eşlenme farklı çekirdekleri ayırmanın tek yoludur.
İkinci derece veya daha güçlü çiftleşme
Yukarı da bahsedilen varsayımlar da eşitsiz spinler arasındaki NMR frekanslarındaki fark ile karşılaştırıldığında eşleşme sabiti küçük. Eğer kayma ayrımı azalır ise ya da eşlenme uzunluğu artar ise çoklu yoğunluk modelleri ilk olarak bozulur ve daha kompleks, kolay analiz edilebilen hale gelir, özellikle ikiden fazla spinin varlığında. Zirvelerin altındaki alan sabit kalmasına rağmen bir çoklu yapının zivelerinin yoğunlaştırılması çoğu zaman arka plan gürültüsünün kaybolmasını sağlar. En yüksek NMR alanında ise bozulmalar genellikle azdır ve karakteristik bozulmalar alakalı zirveleri tespit etmeye yardım edebilir.
Kapsamı sınırlı olsa da bu modellerin bazıları, John Pople tarafından yayınlanan yöntemi ile analiz edilebilir
İkinci mertebeden etkileri çoklu yapılar arasındaki frekans farkının artmasıyla azalır, yüksek alanlı NMR spektralarında düşük frekans spektrasından ziyade daha az bazukluk gösterilir. Başlarda 60Mhz spektraları bozukluğa daha yatıkındı, şimdiler de 200Mhz veya üzeri aletler kullanılıyor.
Manyetik eşitsizlik
Eğer kimyasal eşkilteki spinler(simetri ile ilgili çekirdekler ve aynı NMR frekansına sahip) harici spinlerle farklı eşleşme ilişkilerine sahiplerse çok ince etkiler meydana gelebilir. Kimyasal eşitlikte ama benzer olmayan spinler manyetik eşitsizlik olarak adlandırılır. Örneğin, 1,2-diklorobenzenin 4 H grupları simetri tarafından kimyasal eşitlikteki iki parçaya ayrılır ancak çiftlerden birinin diğer spini oluşturan çift ile farklı eşleşmeleri vardır. Manyetik eşitsizlik sadece sayısal modelleme yöntemiyle analize izin veren aşırı kompleks spektralara izin verir. Esnek moleküller C-C bağlarının ilgili yapısal ortalama manyetik eşitsizliğindeki sorunları azaltarak, komşu karbonlar üzerinde protonların arasındaki bağları eşitlemek eğilimindedir. Bu tür etkiler, aromatik ve diğer esnek olmayan sistemlerin NMR spektrumları ve esnek olmayan sistemlerde daha sık görülür.
Döteryumlu çözücüler
Bir çözeltideki çekirdeklerin büyük çoğunluğu çözücüye ait olacaktır ve en düzenli çözücüler hidrokarbonlar ve NMR-reaktif protonları içerenlerdir. Bu yüzden, döteryum (hidrojen-2) %99'dan fazla yer almaktadır. Döteryumlanmış çözücü olarak döteryum oksit (D2O) ve döteryumlanmış DMSO (DMSO-d6) hidrofilik analizler için kullanılmasına rağmen en sık kullanılan döterokloroform (CDCI3) 'dir. NMR spektrumları genellikle yerine eklenen tetrametilsilanın bilinen çözücü kalıntı proton zirvesine karşı kalibre edilir.
Korelasyon spektroskopisi
Korelasyon Spektroskopisi iki boyutlu nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopi veya 2D-NMR türlerinden bir tanesidir. Bu NMR deney türü COSY olarak bilinir. İki boyutlu NMR spektroskopileri; J-spektroskopisi, bozdurma spektroskopisi (EXSY), nükleer hauser etkisi spektroskopisi (NOESY), toplam korelasyon spektroskopisi (TOCSY) ve HSQC, HMQC ve HMBC gibi farklı çekirdekli korelasyon spektroskopisidir. İ ki boyutta NMR spektroskopisi bir molekük hakkında tek boyutta NMR spektrasında olduğundan daha fazla bilgi sağlar ve özellikle tek boyutta çalışmak için karmaşık olan moleküllerin molekül yapısına karar vermede daha kullanışlıdır. İlk iki boyutlu NMR deneyleri, COSY, 1971 yılında Libre de Bruxelles Üniversitesi'nde profesör olan Jean Jeener tarafınden önerilmiştir. 1976 yılında bu deneyin çalışmaları Walter P. Aue, Enrico Bartholdi ve Richard R. Ernst tarafından yayınlandı ve hayata geçirildi.
Katı hal nükleer manyetik rezonansı
Fiziksel şartlar çeşitli molekülleri çözelti içinde incelemeye ya da aynı anda aynı atom seviyesinde farklı spektroskopik teknikleri uygulamaya izin vermez. Kristaller, mikrokristal tozlar, jeller, yön bağımlı solüsyonlar gibi katı hal ortamında, iki kutuplu bağlanmalar ve yön bağımlı kimyasal kaymanın baskın hale gelen nükleerspin sistemleri vardır. Geleneksel NMR spektroskopisinde bu ek etkileşimler spektral çizgilerinin önemli miktarda genişlemesine neden olur. Çeşitli teknikler, en az13C spektrumları için, çözelti-hal NMR spektrumlarını karşılaştırılabilir, yüksek çözünürlüklü koşulların yaratılmasını sağlar.
Yüksek çözünürlüklü katı hal NMR spektroskopisi için iki önemli durum basit yönelimler tarafından muhtemel möleküler yönelimlerin sınırlandırılması ve basit spinler tarafından yön bağımlı nükleer manyetik etkileşimlerin azaltılmasıdır. Sistem 1/2 spinli çekirdekleri içerdiği zaman, sihirli açı etrafında hızla dönmek çok önemli bir metottur. Kısmi hizalama veya düşük hareketlilik örnekleri gibi bir dizi teknik, şu anda NMR spektroskopinde kullanılmaktadır.
Katı hal NMR etkilerinin meydana geldiği uygulamalar sıklıkla protein yapılarının incelenmesi, protein iplikçiklerinin veya tüm polimer yapılarının incelenmesidir. Sadece organik kimyada kimyasal analizi değil bitki yaprakları ve yakıt hücreleri gibi tuhaf uygulamaları da içermektedir. Örneğin, Rahmani ve ark. sıcaklık ve basıncın biselsi yapıların spontane birleşimi üzerindeki etkisini deuterium NMR spektroskopi kullanarak çalışmıştır.
Biyomoleküler NMR spektroskopisi
Proteinler
NMR spektroskopisi protein NMR spektroskopisinin alanındaki yenilik kadar, yapısal biyoloji için de önemli bir teknik alanı olmuştur. Bu araştırmaların ortak hedefi x-ışını kristalografisi ile proteinin yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu yapısını elde etmektir. X-ışını kristalografisi aksine daha büyük yapılar çözülmüş olsa da, NMR spektroskopi, genellikle, 35 kDa'lık daha küçük proteinler ile sınırlıdır. NMR spektroskopisi, genellikle kısmen veya tamamen özünde yapılandırılmamış proteinler için yüksek çözünürlüklü bilgi edinmenin tek yoldur. Bu yöntem şu anda konformasyon aktivite ilişkisinin belirlenmesinde yaygın bir araçtır. Proteinler daha önce bahsedilen küçük onganik moleküllerden daha büyük değer sırasındadırlar fakat basit NMR teknikleri ve bazı NMR teorileri uygulanabilir. Küçük organik bileşik ile karşılaştırıldığında proteinin içinde daha fazla atom bulunduğundan, temel tek boyutlu spektrumlarıdışarıdan direkt gelen kabul edilemez hale gelmiş sinyallerle birlikte kalabalık hale gelir. Bu nedenle, (2, 3 ya da 4D) çok boyutlu deneyler bu sorunla başa çıkmak için geliştirilmiştir. Bu deneyleri basitleştirmek amaçlı, 13C ve 15N istopik olarak etiketlenmiş proteinler arzulanır. Çünkü doğada baskın olarak bulunan 12C izotopu NMR-aktif değildir ve doğada yaygın olarak bulunan 14N izotopunun nükleer kuadrupol momenti yüksek çözünür bilgiyi engeller. Proteinlerin yapı tayini için kullanılan en önemli yöntem molekülün içindeki atom çiftleri arasındaki mesafeleri ölçmek için kullanılan NOE deneyleridir. Daha sonra, elde edilen mesafeler mesafe geometrisi problemi çözülerek molekülün bir 3D yapısını oluşturmak için kullanılır. Ayrıca NMR, bir proteinin farklı bölgelerinin yapısal esneklik ve dinamikliği hakkında bilgi edinmek için kullanılır.
Nükleik asitler
"Nükleik asit NMR", DNA ya da RNA gibi polinükleik asitlerin dinamikleri yapısı ve hakkında bilgi elde etmek için kullanılan NMR spektroskopisidir. 2003 yılı itibarıyla, bilinen tüm RNA yapılarının neredeyse yarısı NMR spektroskopisi ile tespit edilmiştir.
Nükleik asit ve protein NMR spektroskopisi benzerdir ancak farklılıklar bulunmaktadır. Nükleik asitler NMR spektroskopisinde incelenen hidrojen atomlarından çok küçük bir yüzde de sahiptir çünkü nükleik asid duble helezonlar sert ve kabaca doğrusaldırlar ve uzun menzil korelasyon oluşturmak için geri çekilmezler. 1H or proton NMR, 13C NMR, 15N NMR, and 31P NMR genellikle nukleik asitlerle birlikte tamamlanmış NMR tipleridir. İki boyutlu NMR yöntemleri genellikle korelasyon spektroskopisi (COSY) ve toplam koherens transferi spektroskopisi (TOCSY) gibi geçiş bağı nükleer bağlanmasını tespit etmek; nükleer Overhauser etkisi spektroskopisi (NOESY) gibi boşlukta bir birlerine çok yakın duran atom çekirdeklerinin bağlanmasını tespit edebilmek için kullanılır.
Spektrumdan alınan parametreler, başlıca NOESY çapraz zirveler ve birleşme sabitleri, glikosidik bağ açıları, iki düzlemli açıları ve şeker büzgü konformasyonları gibi bölgesel yapıların tespitinde kullanılabilir. Büyük ölçekli yapılar için, bu bölgesel parametreler diğer yapısal varsayımlarla birleştirilmek zorundadır çünkü proteinlerin aksine çift sarmal kendi içine değildir ve geriye çekilmez ve içinden geçtiği için hatalar eklenebilir. NMR ayrıca bükülmüş sarmallar, Watson-Crick basepairing olmayan ve koaksiyel istifleme gibi standart dışı geometrileri araştırmak için kullanışlıdır. Yalancı düğümler ve sap-ilmik gibi kompleks komformasyonlar edinmeye eğilim gösteren doğal RNA oligonükleotidlerinin doğal yapısını problamada özellikle kullanışlıdır. NMR aynı zamanda nükleik asit moleküllerinin diğer moleküllere(proteinler veya ilaçlar gibi) bağlanmasını, bağlanılan moleküle göre değişen kaymaya göre gözlemleyerek, problamakta da faydalıdır.
Karbonhidratlar
Karbonhidrat NMR spektroskopisi karbonhidrat yapısı ve konformasyon ile ilgili soruları gidermektedir. The analysis of carbohydrates by 1H NMR ile karbonhidrat analizi foksiyonel gruplardaki kısıtlılıktan dolayı zorlayıcıdır. Bu durum 1H rezonanslarının NMR spektrumunda ince bantlar halinde birikmesi ile sonuçlanır. Diğer bir deyişle, spektral dağılım zayıf olur. Anomerik proton rezonansları anomerik karbonların iki oksijen taşıması yönüyle diğerlerinden ayrılır. Daha küçük karbonhidratlarda anomerik proton rezonansının dağılımı bütün bireysel karbonhidrat monomerlerinin spin sistemini incelemek amaçlı 1D TOCSY deneylerinin kullanımını kolaylaştırır.