دستوالعمل آزمایشگاه NMR

دستورالعمل آزمايشگاه NMR

Nuclear Magnetic Resonance

Laboratory

نويسنده

زهرا كلانتري

آذر 98

مسئول آزمايشگاه: زهرا كلانتري

شماره تماس: 02148662139

آدرس ايميل: nmr.lab@ippi.ac.ir

معرفی آزمایشگاه‌:

 دستگاه رزونانس مغناطيس هسته NMR مدل دستگاه : BRUKER 400MHz ساخت كشور آلمان

هسته‌هاي در حال اندازه‌گيري : C و  Hآزمون‌هاي در حال سرويس‌دهي: 1HNMR، 13CNMR ، C13DEPT، 2D-

1-تئوري و اصطلاحات در NMR

تكنيك NMR براي آناليز ساختار بسياري از مولكول‌هاي شيميايي و تركيبات آلي استفاده مي شود. يك تركيب نوعي معمولاً شامل اتمهاي كربن، هيدروژن و اكسيژن مي‌باشد.

در ساده ترين شكل آزمايش NMR شامل سه مرحله مي باشد:

1-  1- قرار دادن نمونه در ميدان مغناطيسي

2-  2- برانگيخته كردن هسته با اعمال فركانس راديويي

3-  3- اندازه گيري فركانس سيگنالهاي نشري از نمونه

شكل 1- برانگيخته شدن هسته و رزونانس

آناليزگر با استفاده از فركانس نشري مي‌تواند پيوندها و نحوه آرايش اتم‌ها در نمونه را استباط نمايد. هسته‌هاي فعال در NMR در فركانس‌هاي مختلفي رزونانس مي‌كند كه "فركانس‌هاي رزونانس "ناميده مي‌شوند. اين‌ها فركانس‌هاي نشري از هسته هستند كه با پالس‌ فركانس ورودي بر انگيخته شده‌اند. مقدار فركانس روزنانس به دو عامل بستگي دارد.

الف) نوع هسته‌ها

هر ايزوتوپ در هسته خود از تركيب ويژه‌اي از پروتون و نوترون برخوردار است. ساختار هسته تا حد زيادي ميزان روزنانس را تعين مي‌كند. بنابراين هر ايزوتوپ نشان دهنده "فركانس رزونانس اصلي" است. هسته ¹³C داراي رزونانس فركانس اصلي متفاوتي از هسته ¹H و ... است. تغييرات شديد بين رزونانس فركانس اصلي در ايزوتوپهاي مختلف در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1- داده‌هاي جدول براي انواع ايزوتوپ‌ها

فركانس‌ها براي مغناطيس T 7/11 بيان شده است

ب) محل قرار گرفتن اتم‌ها

فركانس رزونانس اصلي تحت تأثير محيط اطراف محل هر اتم كه ايزوتوپ در آن قرار گرفته جابجا مي‌شود. مقدار دقيق فركانس رزونانس اصلي هسته‌هاي ¹H در يك تركيب ويژه به اتم‌هايي كه با آن‌ها پيوند دارند و در اطراف آن قرار گرفته‌اند وابستگي دارد. در واقع هسته بوسيله الكترون‌هايي احاطه شده كه ممكن است به صورت بار الكتريكي متحرك با ميدان مغناطيسي همراه شوند. اين الكترونها هسته را در برابر ميدان مغناطيسي محافظت مي‌كنند[1] . ميزان محافظت به محيط اطراف هر بستگي دارد. اندازه تغييرات ميدان (كه منجر به تغيير فركانس خواهد شد) به نوع ايزوتوپ و قدرت ميدان مغناطيسي كه نمونه در آن قرار گرفته بستگي دارد.

جدول 2 تغييرات فركانس را براي هسته‌هاي ¹H و ¹³C كه در NMR بيشتر مطالعه مي‌شوند را نشان مي‌دهد. همان‌طور كه مشاهده مي‌شود محيط اطراف اتم به مقدار كمي روزنانس فركانس اصلي را جابجا مي‌كند.

جدول 2- تغييرات فركانس

(داده‌ها براي مغناطيس T 7/11 است)

سيگنال‌هاي NMR به صورت طيف نمايش داده مي‌شوند و در آناليز آن‌ها شدت و مكان (فركانس) مهم است. در NMR به طور معمول فركانس بر روي محور افقي قرار دارد و به سمت چپ افزايش مي‌يابد.

شكل 2-الگوي طيف NMR

فركانس اطلاعات كيفي در مورد محيط اطراف اتم در اختيار قرار مي‌دهد. مجموع شدت‌ها با اندازه‌گيري قدرت سيگنال از طريق اندازه‌گيري سطح زير منحني پيك‌ها مشخص مي‌شود. انتگرال با تعداد هسته‌‌هايي كه در آن فركانس معين سيگنال را ايجاد كرده‌اند رابطه مستقيم دارد (اگر تمام هسته‌ها يكسان برانگيخته شوند). بنابراين مي‌توان داده‌هاي كمي در مورد ساختار شيميايي نمونه بدست آورد.

براي برانگيخته كردن هسته معين در آزمايش NMR فركانس پالس برانگيخته بايد مطابق فركانس رزونانس هسته باشد. اين فركانس، فركانس حامل ناميده[2] مي‌شود. مثلاً اگر آزمايش با مغناطيس T 7/11 انجام شود هسته هيدورژن به فركانس حدود MHz 500 و هسته ¹³C به فركانس MHz 125 فركانس حامل نياز دارد. فركانس حامل با پارامتر SOF1 مشخص مي‌شود و هسته‌اي كه با فركانس حامل برانگيخته شده هسته مشاهده شده[3] نام دارد.

در آزمايش‌هايي كه بيش از يك هسته برانگيخته مي‌شوند مانند انتقال قطبش و واجفت شدگي، با وجودي‌كه بيش از يك فركانس حامل وجود دارد فركانس مشاهده شده يك است.

2- تركيبات رفرنس، Hertz, PPM

مي‌دانيم كه سيگنال‌هاي NMR نسبت به دو فاكتور سنجيده مي‌شوند، فركانس و شدت . فركانس بر حسب هزتر (Hz) و يا مگاهرتر (MHz) سنجيده مي‌شود. در صورتي‌كه اندازه‌گيري‌ها نسبت به يك فركانس مرجع سنجيده شوند گزارش طيف‌ها ساده‌تر خواهد بود. مرجع پيشنهاد شده براي طيف‌هاي ¹H تركيب تترامتيل سيلان (TMS) است. زماني‌كه طيف‌هاي ¹HNMR ويا ¹³CNMR نياز است TMS پيك مشخص يكتايي در فركانس 0 هرتز نشان مي‌دهد و فركانس بقيه پيك‌ها نسبت به فركانس TMS سنجيده مي‌شوند. سنجش سيگنا‌ل‌ها نسبت به TMS به وضوح تعداد ارقام مختص فركانس مربوطه به كاهش مي‌دهد. با اين حال استفاده از ppm به جاي HZ ساده‌تر است. واحد ppm بيانگر اندازه‌ايست كه رزونانس يك پروتون بر حسب قسمت در ميليون فركاني دستگاه طيف سنج از TMS فاصله گرفته است. اين پارامتر مستقل از ميدان مغناطيسي است و از رابطه زير بدست مي‌آيد:

فركانس طيف سنج بر حسب MHz /تغيير مكان بر حسب Hz = σ

با توافق شيميدانان تغيير مكان شيميايي در واحد دلتا (σ) يا ppm بيان مي‌شود (1).

3-    اسپين هسته

بسياري از هسته‌هاي اتم‌ها داراي خصلتي هستند كه اسپين خوانده مي‌شود. هسته‌ها به گونه‌اي رفتار مي‌كنند كه گويي در حال چرخش هستند. اتم‌هايي كه عدد جرمي فرد، عدد اتمي فرد يا هر دو را دارند، داراي گشتاور زاويه اسپين كوانتايي و گشتاور مغناطيسي هستند. معمولترين هسته‌هايي كه داراي اسپين هستند عبارتند از ، ، ، ، ، . هسته‌ اتم هيدروژن معمولي داراي اسپين است. براي هسته‌هايي كه اسپين دارند، تعداد حالات اسپين مجاز، كوانتايي بوده و بوسيله عدد كوانتومي اسپين هسته I تعيين مي‌گردد، كه اين عدد يك ثابت فيزيكي براي يك هسته است. براي يك هسته با عدد كوانتومي I، تعداد حالات اسپين مجاز 2I+1 بوده كه از +I تا –I را در بر مي‌گيرد. حالات اسپين به صورت زير خواهد بود:

-I, (-I+1), …, (I-1), +I

اعداد كوانتومي اسپين چند هسته در جدول 3 داده شده‌اند.

جدول 3

در غياب ميدان مغناطيسي تمام حالات اسپين يك هسته، ترازهاي انرژي برابري دارند و در يك ميدان مغناطيسي، حالات اسپين انرژي يكساني را نخواهند داشت زيرا يك هسته ذره‌اي باردار بوده و هر ذره باردار متحرك خود توليد ميدان مغناطيسي مي‌كند و هسته داراي گشتاور مغناطيسي µ است كه بوسيله بار و اسپين آن توليد مي‌شود. جذب رزونانس مغناطيس هسته‌اي هنگامي رخ مي‌دهد كه هسته‌ها هم جهت ميدان اعمال شده انرژي كرده و جهت اسپين خود را نسبت به آن ميدان تغيير دهند. جذب انرژي فرايند كوانتايي بوده و برابر اختلاف انرژي بين دو حالت موجود است.

(E_-1/2 – E_1/2) = hυ  =_{جذب شده}E

اين اختلاف انرژي به قدرت ميدان مغناطيسي اعمال شده B₀ و نوع هسته دارد و چون هر هسته نسبت بار به جرم متفاوتي دارد اين نسبت را نسبت گردش مغناطيسي γ مي‌گويند.

ΔE = f(γ, B₀) = hυ

با قرار دادن مقادير صحيح γ براي پروتون در ميدان‌هاي با قدرت مختلف تابش متناسب آن جذب شده و انتقال اسپين از ترازي به تراز ديگر رخ مي‌دهد. فركانس اين نوع تابش در حد امواج راديويي بوده و تنها قادر است اسپين هسته را تغيير دهد.

اگر قدرت ميدان مغناطيسي 41/1 تسلا باشد رزونانسي در حدود MHz 60 رخ خواهد داد و با بهره‌گيري از رابطه ΔE = hυ مي‌توان محاسبه كرد كه اختلاف انرژي بين دو حالت اسپيني در حدي است كه انرژي حرارتي كسب شده از دماي اتاق براي اشغال اين سطوح انرژي كافي است. اگر چه جدايي بين سطوح انرژي اندك است اما تراز اسپيني با انرژي كمتر داراي اندكي مازاد هسته است و اين اختلاف با استفاده معادله توزيع بولتزمن محاسبه مي‌شود.

 = زيرينN/فوقانيN

در اين معادله ΔE اختلاف انرژي بين سطوح فوقاني و زيرين، k ثابت گازي مولكولي، υ فركانس عمل كننده دستگاه و h ثابت پلانك است. اين معادله نشان مي‌دهد كه با رزونانس دستگاه تعداد هسته‌هاي مازاد حالت پايين افزايش پيدا ميكنند كه باعث افزايش حساسيت دستگاه و در نهايت سيگنال‌هاي رزونانس قويتر مي‌شوند.

4-   تغيير مكان شيميايي¹HNMR

اگر فركانس رزونانس همه پروتونها يك مولكول مشابه بود ديگر NMR استفاده چنداني در شيمي نداشت . نه تنها انواع گوناگون پروتونها اغيير مكان شيميايي مختلف دارند بلكه مقدار تغيير مكان شيميايي آنها صفت مشخصه نوع آنها است. هر پروتون فقط در محدوده‌اي از مقادير σ رزونانس مي‌هد. بنابراين مقدار عددي (بر حسب ppm) تغيير مكان شيمياي يك پروتون اطلاعاتي راجع به نوع پروتوني كه توليد سيگنال كرده مي‌دهد. موقعيت نسبي انواع پرتون‌ها و محدوده تغيير مكان شيميايي گروه‌هاي عاملي در نمودار 1 آورده شده است.

 نمودار 1- ¹H NMR chemical Shift (3)

5-   تغيير مكان شيميايي ¹³C

در طيف NMR كربن تغيير مكان شيميايي پارامتر مهم است. جداول ارتباطي در نمودار 2 تغيير مكان شيميايي 13C را برحسب ppm از TMS نشان مي‌دهد. در اينجا تغيير مكان شيميايي در محدوده وسيعتري ppm 220- 0 نسبت به پروتونها ppm 12- 0 مشاهده مي‌شوند. به دليل محدوده وسيع تغيير مكان شيميايي تقزيبا هر اتم كربن نامعادل در يك مولكول يك قله با تغير مكان شيميايي متفاوت مي‌دهد (3).

نمودار 2- ¹³C NMR chemical shift(3)