بخشی از مقاله
چکیده
در تکنیک رزونانس مغناطیسی هستهای یا - Nuclear magnetic resonance - NMR برهمکنش میدان مغناطیسی طیف الکترومغناطیس با هسته ها - یه جای الکترونها - اندازه گیری می شود. تابش الکترو مغناطیس در ناحیه فرکانس رادیویی 4 تا 600 مگاهرتز MHZ به هسته هایی که در میدان شدید مغناطیسی قرار گرفته اند تابانده می شود.
این میدان مغناطیسی، برای این است که هسته ها، حالتهای انرژی مورد نیاز جهت جذب را پیدا کنند. در واقع در اثر میدان مغناطیسی قوی، ترازهای انرژی هسته به دو تراز پایه و برانگیخته شکافته می شود و هسته ها می توانند تابش را جذب کرده و از حالت پایه به حالت برانگیخته بروند. این تکنیک کاربردهای زیادی در نانوفناوری دارد که در این تحقیق ضمن اشاره به توصیف کوانتومی این تکنیک و اجزاء دستگاه NMR، به برخی از کاربردهای آن اشاره خواهیم کرد.
.1 مقدمه
برخی هسته ها، 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 پایین تر به یک جهت گیری با انرژی بالاتر برانگیخته شود.
طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته شامل اندازه گیری میزان انرژی لازم برای تغییر هسته های اسپین دار از یک جهت گیری پایدار به جهتگیری ناپایدارتر در یک میدان مغناطیسی است. از آنجا که هسته های اسپین دار در میدان مغناطیسی در فرکانس های مختلف تغییر جهت میدهند، فرکانس متفاوتی از تابش جذبی برای عوض کردن جهت گیری هسته های اسپین دار نیاز می باشد. فرکانسی که در آن جذب صورت میگیرد برای تجزیه و طیفسنجی به کار برده میشود.
.2 تاریخچه
رزونانس مغناطیسی هسته ای 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 جایزه نوبل شدند.
درپنج ساله اول پس از کشف روش رزونانس مغناطیس هسته شیمیدانها دریافتند که محیط مولکولی اجسام بر جذب تابش توسط هسته ها در حضور یک میدان مغناطیسی اثر میگذارد و این اثر میتواند به ساختمان مولکول ارتباط داده شود. از آن پس رشد روش طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته انفجارآمیز بوده است و این روش اثر قابل توجهی در توسعه شیمی آلی، شیمی معدنی و بیوشیمی داشته است
در سال 1999 یک تیم فیزیکدان کانادایی موفق به توسعه یک روش جدید با استفاده از روش رزونانس مغناطیس هسته ای 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 توصیف کوانتمی NMR
اندازه حرکت زاویهای اسپین در هستهها توسط عدد کوانتومی اسپین هسته مشخص میشود. عددکوانتومی اسپین هسته هر عدد صحیح یا نیمه صحیحی می تواند باشد. در هستههایی ماند 16Oو 12C که فاقد اسپین هستند، عدد کوانتومی اسپین هسته صفراست. هستههایی که بدون اسپیناند و بنابراین اندازه حرکت زاویهای اسپین ندارند، نمیتوانند توسط طیف سنجی 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 - - ʽنسبتاً بزرگ داشته باشد.
هستههایی که هر دو خاصیت مورد بحث را دارند شامل1H، 19F، 21P 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 ʽ= 7927/2 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 طیف سنجی تشدید مغناطیسی هستهای مورد استفاده قرارمیگیرند گشتاور مغناطیسی به ترتیب برای 21P، 12C و19F برابر1/1305, 2/6873 و 0/ 7022میباشد.
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 می شود 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 طیف های PMR و سایر طیفهای NMR در محدوده جابجایی شیمیایی است.
محدوده جابهجایی شیمیایی برای PMR در اکثر موارد PPM 10 است. در حالی که برای هسته 12C جابهجایی شیمیایی تا حدود PPM 200 است این مقدار برای طیفهای 19Fو 21P به ترتیب برابر 300 و 400 PPMاست. درروشهای NMRمعمولاً 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
.4 اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
اجزاء مهم یک طیفسنج NMR در شکل1 به طور شماتیک نشان داده شده است توضیح مختصری از هر یک از اجزاء تشکیل دهنده در ذیل بیان میشود.
شکل .1 شماتیک از اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
آهنربا:
در طیفسنج های تجاری NMR هم آهنرباهای دائم و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار میگیرندنوعاً. 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 محوطه حضور نمونه، تا یک قسمت در 108 همگن باشد و باید تا درجه مشابهی در زمانهای کوتاه پایدار بماند. برای داشتن چنین خصوصیاتی، به ابزارسازی تکامل یافتهای که مجهز به ابزار پس خورجهت تصحیح در افت و خیز است، نیاز میباشد.
پیمایش گر میدان مغناطیسی:
استقرار یک جفت سیمپیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، تناوب میدان اعمال شده در یک گستره 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 دادمعمولاً. 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، گستره پیمایش میدان برابر 1000 هرتز 235 - میلیگوس - یا چیزی حدود آن است.
