موضوع مقاله : سایر

عنوان مقاله : رزونانس مغناطیس هسته (NMR‌)

تاریخ : 1384/05/25تعداد بازدید : 68158

New Page 1                                                                                                                                                                                                                  
برخی هسته‌ها، مانند الکترون به دور محور خود حرکت       چرخشی دارند. در حضور یک میدان آهنربایی خارجی، یک هسته در حال چرخش تنها       تعداد معدودی جهت‌گیری پایدار دارد. رزونانس مغناطیس هسته(NMR) هنگامی       ایجاد می شود که یک هسته اسپین دار با جذب تابش الکترومغناطیسی به مقدار       کافی، در حضور یک میدان آهنربایی از یک جهت‌گیری با انرژی پایین‌تر به یک       جهت‌گیری با انرژی بالاتر برانگیخته شود. طیف سنجی       رزونانس مغناطیس هسته‌ شامل اندازه‌گیری میزان انرژی لازم برای تغییر       هسته‌های اسپین دار از یک جهت‌گیری پایدار به جهت‌گیری ناپایدارتر در یک       میدان مغناطیسی است. از آنجا که هسته‌های اسپین‌دار در میدان مغناطیسی در       فرکانس‌های مختلف تغییر جهت می‌دهند، فرکانس متفاوتی از تابش جذبی برای عوض       کردن جهت‌گیری هسته‌های اسپین‌دار نیاز می‌باشد. فرکانسی که در آن جذب صورت       می‌گیرد برای تجزیه و طیف‌سنجی به کار برده می‌شود[1].
      رزونانس مغناطیسی هسته‌ای برای اولین بار در سال 1946 به طور مستقل توسط       فلیکس بلوخ از دانشگاه استانفورد و ادوارد پارسل از دانشگاه‌ هاروارد کشف       شد. آنها توانستند جذب تابش الکترومغناطیسی را که در نتیجه انتقال تراز       انرژی هسته در یک میدان مغناطیسی قوی صورت می‌گیرد را نشان دهند. این دو       فیزیکدان در سال 1952 به خاطر کارشان موفق به دریافت جایزة نوبل شدند. در       پنج سالة اول پس از کشف روش رزونانس مغناطیس هسته شیمیدان‌ها دریافتند که       محیط مولکولی اجسام بر جذب تابش توسط هسته‌ها در حضور یک میدان مغناطیسی       اثر می‌گذارد و این اثر می‌تواند به ساختمان مولکول ارتباط داده شود. از آن       پس رشد روش طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته انفجارآمیز بوده است و این روش       اثر قابل توجهی در توسعة‌ شیمی آلی، شیمی معدنی و بیوشیمی داشته است [2].       در سال 1999 یک تیم فیزیکدان کانادایی موفق به توسعه یک روش جدید با       استفاده از روش رزونانس مغناطیس هسته‌ای Beta شدند که این روش قادر به نشان       دادن خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک می باشد از       روش های BetaNMR در علوم نانویی استفاده می شود[3].
      اندازه حرکت زاویه‌ای اسپین در هسته‌ها توسط عدد کوانتومی اسپین هسته مشخص       می‌شود. عددکوانتومی اسپین هسته ‌هر عدد صحیح یا نیمه صحیحی می‌تواند باشد.       در هسته‌هایی ماند16O و 12C که فاقد اسپین هستند، عدد کوانتومی اسپین هسته صفر       است. هسته‌هایی که بدون اسپین‌اند و بنابراین اندازه حرکت زاویه‌ای اسپین       ندارند، نمی‌توانند توسط طیف‌سنجی NMR آشکار شوند. هسته‌های اسپین‌داری که       توزیع بار کروی دارند،‌ دارای عدد کوانتومی اسپین 1/2 هستند. نمونه‌هایی از این       هسته‌ها شامل 13C،19F، 3H، 15N، 31P و 1H می‌باشد که دارای عدد کوانتومی       1/2 و گشتاور مغناطیسی هستند. برای آن که یک هسته در میدان آهنربایی       تابش الکترومغناطیس را به مقدار زیاد جذب کند باید در نمونه از فراوانی       بالایی برخودار باشد و همچنین باید گشتاور مغناطیسی (µ) نسبتاً بزرگ داشته باشد.       هسته‌هایی که هر دو خاصیت مورد بحث را دارند شامل1H،19 F ،21 P می‌باشد. به       طور معمول بیشتر اندازه‌گیری‌های ‌NMR برای 1H انجام می‌شود. اندازه‌گیری       سایر هسته‌ها اغلب با استفاده از روش‌های افزایش علامت به منظور مشاهده       طیف، انجام می شود. معمولاً از میان هسته‌هایی با فراوانی نسبی پایین که       رزونانس مغناطیس هسته‌ را نشان می‌دهند،12C ، 15N ، 16O بیشتر مورد توجه       شیمیدان‌ها قرار دارد. روش رزونانس مغناطیسی هسته‌ای هیدورژن (1H) که بیشتر       از دیگر هسته‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای گشتاور مغناطیسی در حدود 2/7927= µ است برای اسپین‌های هسته‌ای 1/2 ، اختلاف انرژی بین دو سطح اسپین در یک       میدان مغناطیسی داده شده متناسب با گشتاور مغناطیسی آن خواهد بود. برای       دیگر هسته‌ها که برای طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای مورد استفاده قرار       می‌گیرند گشتاور مغناطیسی به ترتیب برای 21P،19F 12C       برابر2/6873 ,1/1305 و       0/7022 می‌باشد[4].
      در اکثر موارد حساسیت دستگاه‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای غیرپروتونی مثل 12C       و غیره در مقایسه با HNMR کمتر است. همچنین در بیشتر ترکیبات، فراوانی       طبیعی هسته‌های مغناطیسی غیرپروتونی به میزان قابل ملاحظه‌ای کمتر از       پروتونی است. این عامل سبب می‌شود که طیف‌های NMR هسته‌های غیرپروتونی،       سیگنال به نویز نسبتاً پایینی داشته باشند. پیک‌های این طیف‌ها کوچک هستند       و اغلب اگر از دستگاه یکسانی که برای NMR هسته های       پروتونی(PMR) به کار رفته، استفاده شود، طیف آنها را نمی‌توان مشخص کرد. با       توجه به پایین بودن سیگنال به نویز در این موارد، بیشتر دستگاه‌های طراحی       شده برای ثبت طیف‌های NMR هسته‌های غیرپروتونی از چند پیمایش همراه با       تکنیک میانگین گیری از علامت استفاده می‌کنند. متداول‌ترین دستگاه‌ها برای       استخراج پیک‌های طیفی از تبدیل فوریه استفاده می‌کنند. دستگاه‌های تبدیل       فوریه برای تهیه طیف‌های PMR محلول‌های رقیق و مولکول‌های پیچیده، مانند       پروتئین‌ها، که در آنها مقدار یک پروتون ویژه در مولکول اندک است، نیز به       کار می‌روند، تفاوت طیف‌های PMR و سایر طیف‌های NMR در محدوده جابجایی       شیمیایی است. محدوده جابه‌جایی شیمیایی برای PMR در اکثر موارد 10PPM است.       در حالی که برای هسته 12C جابه‌جایی شیمیایی تا حدود 200PPM است این مقدار       برای طیف‌های 19F و 21P به ترتیب برابر 300 و 400PPM است.
      در روش‌های NMR معمولاً واحدهای مورد استفاده به صورت زمان (ثانیه)، زاویه       (درجه یا رادیان)، درجه حرارت (کلوین)، قدرت میدان مغناطیسی (تسلا،T )،       انرژی (ژول)، ارتعاش (دور بر ثانیه) و قدرت (وات) می‌باشد. [5]
      اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
      اجزاء مهم یک طیف‌سنج NMR در شکل (1) به طور شماتیک نشان داده شده است       توضیح مختصری از هر یک از اجزاء تشکیل دهنده در ذیل بیان می‌شود.
             

             

      شکل 1- شکل شماتیک از اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
1) آهنربا:
      در طیف‌سنج‌های تجاری NMR هم آهنرباهای دائم و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی       با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوعاً میدانی در حدود 14000 گوس       بین قطعات قطب‌های مغناطیسی که قطری برابر 12 اینچ یا بیشتر دارند، برقرار       می‌شود. مشخصات کارکردی آهنربا به خصوص برای کارهای با تفکیک بالا، حساس و       پراهمیت است. میدان ایجاد شده باید در محوطة حضور نمونه، تا یک قسمت در108       همگن باشد و باید تا درجة مشابهی در زمان‌های کوتاه پایدار بماند. برای       داشتن چنین خصوصیاتی، به ابزارسازی تکامل یافته‌ای که مجهز به ابزار پس خور       جهت تصحیح در افت و خیز است، نیاز می‌باشد.
      2- پیمایش گر میدان مغناطیسی
      استقرار یک جفت سیم‌پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، تناوب میدان اعمال       شده در یک گسترة کوچک را امکان‌پذیر می‌سازد. با تغییر یک جریان مستقیم از       میان این سیم‌پیچ‌ها، میدان مؤثر را می‌توان بدون از دست دادن همگنی میدان،       تا چند صدمیلی گوس تغییر داد.
      معمولاً قدرت میدان به طور خودکار و به طور خطی با زمان تغییر می‌کند و این       تغییر با حرکت کاغذ ثبات همزمان است. برای یک دستگاه 60 مگاهرتزی، گسترة       پیمایش میدان برابر 1000 هرتز (235 میلی‌گوس) یا چیزی حدود آن است.
      3- منبع فرکانس رادیویی
      علامت حاصل از یک نوسانگر فرکانس رادیویی (فرستنده) به داخل یک زوج       سیم‌پیچی که عمود بر مسیر میدان نصب شده‌اند. خورانده می‌شود و در نتیجه یک       پرتو تابش قطبیدة مسطح به دست می‌آید. معمولاً از یک نوسانگر ثابت دقیقاً       60 مگاهرتزی استفاده می‌شود. فرکانس برای کار با تفکیک بالا، باید تا حدود       یک قسمت در °10 ثابت باشد. توان خروجی       این منبع کمتر از وات است و باید تا شاید به مقدار یک درصد در یک فاصله       زمانی چندین دقیقه ثابت باشد.
      4- آشکارساز و سیستم ثبات:
      علامت فرکانس رادیویی ایجاد شده توسط هسته‌های در حال رزونانس، به       وسیله سیم‌پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده است و به صورت عمود بر سیم‌پیچ       منبع قرار دارد، آشکار می‌شود. علامت الکتریکی تولید شده در سیم‌پیچ‌ها       کوچک است و باید به ضریبی برابر °10       یا بیشتر تقویت گردد تا بتواند ثبت شود.
      5- ظرف نگهدارنده نمونه:
      سلول متداول برای نمونه در NMR مرکب از یک لوله شیشه‌ای به قطر 5       میلی‌متر است که حدود 0/4 میلی‌متر از مایع در آن قرار می‌گیرد. لوله‌های       کوچکتر برای نمونه‌هایی با حجم کمتر نیز در دسترس است[2] .
             

             

      شکل 2- ظرف نگهداری نمونه در دستگاه NMR
                کاربردها:
         1- مطالعه ساختار میکرومولکول‌های کوچک و ترکیبات آلی موجود در محول‌ها[4]
         2- مطالعه ساختار شیمیایی مواد با استفاده از NMR یک بعدی [5].
         3- مطالعه ساختار مولکول‌های بسیار پیچیده با استفاده از NMR دو بعدی          [5].
         4- تعیین ساختار مولکول‌های مواد جامد با استفاده از NMR حالت جامد          [5].
         5- مطالعه فیزیولوژی سلول‌ها و غلظت درون یاخته‌های سلولی [6].
         6- روش های NMR معمولی قادر به تعیین مشخصات ساختار نانویی یا پدیده          های همراه با جداسازی با درجه خلوص در مقیاس نانو نیستند. زیرا که          اندازه های نانویی نیاز به18 10 اسپین هسته ای برای تولید سیگنال          های قابل ملاحظه دارد از این رو روش های رزونانس مغناطیس هسته ای          Beta که بعداً توسعه پیدا کرده سیگنال های دریافتی آن بسیار حساس و در          حدود 10 برابر روش های معمولی است برای تعیین خصوصیات مغناطیسی و          الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک در مقیاس نانو به کار می          رود[3].
         7- ارایه اطلاعات ساختاری با دقت نانومتر از ساختارهای پیچیده بیولوژیک          مانند ویروس ها [7]
      
                منابع:
         1- معصومی علی، شیمی دستگاهی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال،          چاپ اول 1374، ص 544
         2- آزاد و همکاران‌ ، اصول تجزیة دستگاهی، جلد اول مرکز نشر دانشگاهی،          چاپ چهارم 1374، ص 456       
      3-ww.triumf.info/public/repository/Hb/Hb200309.pdf "The       Basis of Nanotechnology Development at TRIUMF: How Application Begin ",       Canada’s Nanotechnology Laratory For Particle And nuclear Physics
      4-www.Cem.msu.edu/~reusch/virtual.tekd/Spectrpy/nmr/nmr1.ntm-
      5-http://www.cis.rit.edu/htbooks /nmr/inside.htm the Basic of NMR
      6- the application of nuelear magnetic resonance to the Study of       cellular phjsioligg" , 1984, American Physiological Soeiety,
7- مغربی، شاهوردی، سمت و سوی تحقیقات در فناوری نانو، پاییز 1383، چاپ       اول، ص344
ضمیمه 1- لیست NMR های موجود در ایران
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
                                                               دستگاه                                                                رزونانس مغناطیس هسته(Nuclear Magnetic Resonance (NMR
                                                               ردیف                                                                دانشگاه                                                                مدل                                                                نوع عضویت
                               1                                پژوهشگاه پلیمر و                پتروشیمی ایران                                Avance400 MHZ                                عضو
                               2                                دانشگاه شهید                بهشتی                                پژوهشکده گیاهان                داروئی                                Avance 300MHZ                                عضو
                               3                                دانشگاه تربیت                معلم                                آزمایشگاه شیمی                                Avance 300MHz                                عضو
                               4                                دانشگاه سیستان و                بلوچستان                                Avance80MHZ                                عضو
                               5                                دانشگاه ترببیت                مدرس                                دانشکده علوم پایه                                500MHZ                                عضو
                               5                                دانشگاه صنعتی                امیر کبیر                                پلیمر و ترکیبات                شیمیایی                                300MHZ                                رزرو
                               6                                دانشگاه رازی                کرمانشاه                                آزمایشگاه شیمی                تجزیه                                Avance 200MHZ                                Avance 60 MHZَ                                رزرو
                               7                                دانشگاه تبریز                                آزمایشگاه دانشکده                شیمی                                Avance 400MHZ                                رزرو
             
ضمیمه 2- لیست مدل های جدید NMR
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
                                                               دستگاه                                                رزونانس مغناطیس هسته(Nuclear Magnetic                Resonance (NMR
                                                ردیف                                                                مدل                                                                شرکت و کشور سازنده                                                                قابلیت های جدید
                                               1                                Avance500 MHZ                                Bruker                آلمان                                                
                                               2                                Avance 600 MHZ                                Bruker                آلمان                                                تعیین ساختار پروتئین های بزرگتر از 10 تا 15 کیلو دالتون
                                               3                                Avance 750 MHZ                                Bruker                آلمان                                
                                               4                                Avance 800 MHZ                                Bruker                آلمان                                                تعیین ساختار پروتیین های بزرگتر از 20 تا 25 کیلو دالتون                
                                               5                                Avance 900 MHZ                                Bruker                آلمان                                
                                               6                                LC-NMR                                Bruker                آلمان Bruker                امریکا                                Bruker                ‍ژاپن                                Bruker                انگلستان                                                از ترکیب کروماتوگرافی مایع و                NMR                                                ساخته شده است                                                در مدلهای 400، 500 و 600 موجود می باشد                                                برای اندازه گیری نمونه های در محدوده 10 نانو متر دز کمتر از                1 ساعت کاربرد دارد.
                                               7                                LC-NMR/MS                                Bruker                آلمان                                                از ترکیب کروماتوگرافی مایع و طیف سنجی جرمی با                NMR                                                ساخته شده است