Kern Magnetiese Resonans Spektroskopie
deur Greg Brust
Kern Magnetiese Resonans Spektroskopie, of KMR soos dit gewoonlik genoem word, is dieselfde as die mediese tegniek waarvan jy dalk al gehoor het wat bekend staan as Magnetiese Resonans Beeldvorming ("MRI of Magnetic Resonance Imaging"). Die rede hoekom dit verander is, is sodat niemand kan dink dat kern dalk bestraling beteken nie. Om die waarheid te sê, word hier van radiogolwe gebruik gemaak, en glad nie die hoë energie strale wat in bestraling gebruik word nie. En radiogolwe is heel aan die ander kant van die elektromagnetiese spektrum. Kyk gerus:
KMR is 'n karakteriseringstegniek waar die monster in 'n magnetiese veld geplaas word, en dan met radiogolwe bestraal word. Die radiogolwe veroorsaak dat die kerne van die molekule self seine uitstuur, wat net deur 'n spesiale ontvangstoestel opgevang kan word. Net soos in 'n opera, word hier gesing in 'n taal wat ons nie kan verstaan nie, so ons benodig 'n dekodeerder. Hierdie dekodeerder word 'n Fourier Transformasie Algoritme genoem. Dit is 'n komplekse vergelyking wat die sein van die kerne neem, en dit verander in iets wat ons kan verstaan. Hier is die algoritme, in geval jy dalk belang sou gestel het:
Die sein van die kerne word dan geanaliseer om baie verskillende dinge oor die molekule en sy omgewing te kan vasstel, soos byvoorbeeld die molekule se struktuur. Gee so 'n bietjie kans. Die hele sakie sal duideliker word, en jy behoort 'n basiese begrip te hê van die tegniek van KMR teen die einde van hierdie bladsy.
Kom ons bekyk die saak op molekulêre vlak. As jy die kern van 'n atoom kon sien, sou jy sien dat die nukleus spin. Dit word, in wetenskaplike terme, resonansie genoem. Soos die positief gelaaide nukleus spin, sal hierdie bewegende lading 'n magnetiese moment skep. Jy kan daaraan dink asof dit 'n subatomiese staafmagneetjie is wat spin. As daar geen eksterne magneetveld teenwoordig is nie, sal hierdie klein magneetjies hulself lukraak ("random") orienteer. Sodra hulle egter in 'n homogene magnetiese veld geplaas word, sal die magnetiese momente hulself orienteer t.o.v. die magneetveld. Selfs al word die magnetiese momente georienteer deur die eksterne magnetiese veld, is die kernspin nie 'n eenvoudige beweging nie. Dit lyk eerder soos 'n spinnende tol, met die bokant wat verder van die sentrale as spin as die onderkant. As die radiogolwe hierdie spinnende kern tref, sal die uitwyking verder wees, en selfs soms so ver dat die spin omkeer, weg van die aangelegde magnetiese veld. Sommige van die magnetiese momente is dan reghoekig (90 °) t.o.v. die aangelegde veld waarneembaar.
Verskillende kerne resoneer teen verskillende frekwensies. Dit beteken dus dat jy 'n koolstofatoom met 'n ander frekwensie radiogolwe as 'n waterstofatoom moet bestraal om sy spin te laat omkeer. Dit sou ook beteken dat dieselfde atome in verskillende omgewings, soos byvoorbeeld 'n waterstof gekoppel aan 'n suurstof en 'n waterstof gekoppel aan 'n koolstof, by verskillende frekwensies van spin sou verander. Deur waar te neem by watter frekwensies die kerne van spinorientasie verander, kan 'n mens aflei wat die struktuur van 'n molekule is, asook baie ander interessante informasie verkry.
Ek kan verstaan as twee verskillende atome, soos waterstof en koolstof, by verskillende frekwensies resoneer, maar hoekom resoneer twee van dieselfde atome in verskillende omgewings by verskillende frekwensies?
Dit is 'n baie goeie vraag. Die antwoord is afskerming. Wat is afskerming dan? Wel, die elektrone rondom 'n spinnende kern is ook gelaai, en spin ook, en soos jy dalk al kon aflei, skep 'n spinnende lading 'n magnetiese veld, wat in 'n teenoorgestelde rigting georienteer is as die aangelegde magnetiese veld. Hierdie nuwe veld werk dus teen die aangelegde veld, en verswak dus die veld. Dit verminder dus die grootte van die veld wat deur die kern ervaar word. Met ander woorde, skerm die elektrone dus die kern af van die volledige effek van die aangelegde veld. Aangesien die resonansie frekwensie van 'n kern afhang van die sterkte van die magnetiese veld, "voel" dit vir die kern of die magneetveld se sterkte ander is as wat dit werklik is.... heel verstaanbaar.
So, nou weet jy wat 'n KMR spektrometer is, maar hoe werk dit?
Die ding wat soos 'n ruimteskip lyk in die foto hier regs, is 'n KMR spektrometer. Die grootste gedeelte van die masjien is net 'n koelhouer, gevul met twee baie koue vloeistowwe, vloeibare helium en vloeibare stikstof. Hoe koud? Vloeibare stikstof se temperatuur is -195oC en vloeibare helium is -269oC! Die vloeibare helium word gebruik om die supergeleidende spiraal wat die magnetiese veld genereer af te koel tot by -269oC, en die vloeibare stikstof word gebruik om te keer dat die helium nie te vinnig verdamp nie.
Die gat bo (waarna Funda wys) is waar jy jou monster in die spektrometer sit. As dit in die masjien geplaas word, spin 'n stroom lug die monster buisie om die 'n meer uniforme monster te verskaf om te ondersoek.
Wanneer 'n monster opgemaak word vir oplossings KMR spektroskopie, moet die oplosmiddel, of deel van die oplosmiddel, gedeutereerd wees. Dit beteken dat deuterium atome van die waterstof atome in die oplosmiddel moet vervang. Waterstof het een proton as sy kern, terwyl deuterium 'n proton en 'n neutron in sy kern het. Dit word dus gebruik om die KMR spektrometer op 'n spesifieke frekwensie in te stel ("lock"), sodat dit nie gedurende die opneem van data 'n verskuiwing in frekwensie sou ondervind nie.
Nou dat die monster in die magnetiese veld is, aan die spin, en die frekwensie vas gesluit ("lock"), kan ons 'n spektrum verkry. Eerstens sal 'n RF (radio frekwensie) generator 'n kort puls van radiogolwe uitstuur. Hierdie golwe word geabsorbeer en uitgestuur deur die monster na die ontvanger wat die sein van die monster opvang. Hierdie inligting word dan na die rekenaar waaraan die spektrometer gekoppel is gestuur, waar dit geanaliseer word.
Daar is 'n wye verskeidenheid kerne wat deur KMR spektroskopie ondersoek kan word: 1H (proton), 13C (koolstof 13), 15N (stikstof 15), 19F (fluoor 19), en nog baie ander. 1H, en 13C word die meeste gebruik. Ons sal dus ook nou verder van 1H gebruik maak omdat dit verteenwoordigend is van KMR spektroskopie in die algemeen.
Die inligting vanaf die spektrometer lyk so...
Die patroon wat hier gesien word, word die vrye induksie verval genoem ("Free Induction Decay of FID"). Dit lyk so aangesien die spinne van soortgelyke kerne saamgegroepeer word, en na die puls, sal die spinne weer stadig weg van mekaar beweeg, of verval. Dit is sigbaar in die vrye induksie verval. Nadat die vrye induksie verval getransformeer is, lyk dit so...
Voor jy kan vasstel watter pieke met watter spesifieke kerne ooreenkom, moet die skaal vir die chemiese verskuiwings van die spektrum opgestel word. Om dit te doen, is 'n standaard nodig. Hierdie standaard is meestal tetrametielsilaan, of TMS. Jy kan TMS se struktuur hier regs sien. TMS word gebruik omdat dit die mees afgeskermde molekule is waar alle protone ekwivalent is. Dit behoort dus as slegs een piek op die spektrum te verskyn, wat dan gebruik word om die 0 punt van die spektrum vas te stel.
Die eerste ding wat jy dalk mag waarneem as jy na die spektrum kyk, is dat daar nie net 'n aantal enkel pieke op die spektrum is nie, maar enkel, dubbel en selfs groter groepe pieke bymekaar. Hierdie groepe pieke is elk teenwoordig a.g.v. een spesifieke kern, en nie 'n aantal kerne soos 'n mens dalk mag dink nie. Die rede hiervoor is dat die waterstowwe op een koolstof gekoppel is, of beïnvloed word deur die magnetiese velde van ander waterstowwe op naasliggende kerne. Hierdie koppeling split die sein in 'n aantal pieke, soos op die spektrum gesien kan word. Hierdie splitsing volg die sogenaamde "N plus een" reël. Dit lui dat die aantal pieke gesien vir elke tipe waterstof is gelyk aan die aantal waterstowwe op die naasliggende kerne (N) plus een. Byvoorbeeld, die spektrum hierbo is vir etielalkohol, met die struktuur H3C-CH2-OH. Die piek tussen 1 en 2 kom ooreen met die waterstowwe op die CH3 groep. Dit word in drie opgesplit a.g.v. die teenwoordigheid van die twee waterstowwe op die CH2 groep (2+1=3). Die piek tussen 3 en 4 is die piek van die waterstowwe op die CH2 groep. Dit word in 4 gesplit deur die drie waterstowwe op die CH3 groep (3+1=4).