بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
طيف سنجي رزونانس مغناطيسي هسته اي
حالات اسپين هسته
گشتاور مغناطيسي هسته
جذب انرژي
مکانسيم جذب
دانسيته جمعيتهاي حالات اسپين
تغيير مکان شيميايي و اثر مانع
طيف سنج رزونانس مغناطيسي هسته اي
معادل بودن شيميايي – مرور مقدماتي
انتگرال و انتگرال گيري
محيط شيميايي و تغيير مکان شيميايي
اثر مانع ديا مغناطيس محلي
آنيزوتروپي مغناطيسي
قاعده (N+1) شکاف اسپين - اسپين
منشا شکاف اسپين – اسپين
گروه اتيلن ( )
مثلث پاسکال
فهرست مطالب
ثابت کوپلاژ
اسلاید 2 :
رزونانس مغناطيسي هسته اي (NMR)يک روش طيف سنجي است که براي شيميدانان آلي از اهميتي والا نسبت به طيف سنجي مادون قرمز برخوردار است . بسياري از هسته ها را مي توان با فنون NMR مطالعه کرد ، ولي هيدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار مي گيرند .
رزونانس مغناطيسي هسته اي ما را از تعداد هر نوع هيدروژن مطلع مي سازد . به علاوه اين روش ، اطلاعاتي راجع به طبيعت محيط اطراف اين گونه اتمهاي هيدروژن به دست مي دهد .
طيف سنجي رزونانس مغناطيسي هسته اي
بخش اول : مفهوم اوليه
اسلاید 3 :
حالات اسپين هسته
بسياري از هسته هاي اتمها داراي خصلتي هستند که اسپين خوانده مي شود : هسته ها به گونه اي رفتار مي کنند که گويي در حال چرخش هستند . در حقيقت اتمهايي که عدد جرمي فرد ، عدد اتمي فرد يا هر دو را دارند ، داراي گشتاور زاويه اسپين کوانتايي و گشتاور مغناطيسي هستند . معموليترين هسته هايي که داراي اسپين هستند ، عبارتند از
حالات اسپين هسته
اسلاید 4 :
هسته هاي ايزوتوپهاي معمولي و فراوانترين ايزوتوپهاي کربن و اکسيژن يعني در NMR فعال نمي باشند . براي يک هسته با عدد کوانتومي ، تعداد حالات اسپين مجاز بوده که از تا را در بر مي گيرد .
اعداد کوانتومي تعدادي از هسته ها
اسلاید 5 :
در يک ميدان مغناطيسي ، حالات اسپين انرژي يکساني را نخواهند داشت ، زيرا يک هسته ذره اي باردار بوده و هر ذره باردار متحرک خود توليد ميدان مغناطيسي مي کند . بنابراين ، يک هسته داراي گشتاور مغناطيسي ( ) است که به وسيله بار و اسپين آن توليد مي شود . يک هسته هيدروژن مي تواند اسپيني موافق جهت عقربه هاي ساعت (2/1+)يا مخالف جهت عقربه هاي ساعت (2/1-)داشته باشد و در اين دو حالت ̦گشتاورهاي مغناطيسي خود را يا در جهت ميدان و يا در خلاف جهت آن قرار مي دهند(شکل 1) .
گشتاور مغناطيسي هسته
اسلاید 6 :
هنگامي که يک ميدان مغناطيسي خارجي به کار برده شود ، حالت اسپين دژنره به دو حالت ، با ترازهاي انرژي نابرابر شکافته مي شوند(شکل 2) .
اسلاید 7 :
جذب انرژي
پديده رزونانس مغناطيسي هسته اي هنگامي رخ مي دهد که هسته هاي هم جهت ميدان اعمالي شده انرژي جذب کرده و جهت اسپين خود را نسبت به آن تغيير دهند (شکل 3) .
جذب انرژي ̦ يک فرآيند کوانتايي بوده و انرژي جذب شده برابر اختلاف انرژي انرژي بين دو حالت موجود است :
شکل 3 . فرآيند جذب انرژي
براي يک پروتون
اسلاید 8 :
در عمل اين اختلاف انرژي تابع قدرت ميدان مغناطيسي اعمال شده ( ) است .
هر قدر ميدان مغناطيسي اعمال شده شدت يابد ، اختلاف انرژي بين دو حالت اسپين افزايش مي يابد :
اسلاید 9 :
ميزان اختلاف ترازهاي انرژي بستگي به نوع هسته دارد . هر هسته داراي نسبت گشتاور مغناطيسي به گشتاور زاويه اي ويژه اي است ، زيرا هر هسته داراي جرم و بار متفاوتي است . اين نسبت را نسبت گردش مغناطيسي ( ) گويند که براي هر هسته مقدار ثابتي است و تابعيت انرژي از ميدان مغناطيسي را تعيين مي کند :
چون گشتاور زاويه اي هسته بر حسب واحدهاي کوانتايي شده پس معادله به صورت زير در مي آيد :
و مقدار فرکانس انرژي جذب شده :
اسلاید 10 :
مکانيسم جذب (رزونانس)
در يک ميدان مغناطيسي اعمال شده ، پروتونها شروع به حرکت تقويمي و جذب انرژي مي کنند . اين پديده شبيه به آن چيزي است که در يک فرفره مشاهده مي شود . بر اثر تاثير ميدان جاذبه زمين ، فرفره شروع به لرزش يا چرخش حول محور خود مي کند .
يک هسته چرخنده نيز تحت تاثير ميدان مغناطيسي اعمال شده ̦ همان گونه عمل مي کند .هنگامي که ميدان مغناطيسي به کار افتد ̦ آن هسته شروع به چرخش حول محور اسپين خود مي کند که داراي فرکانس زاويه اي (فرکانس لارمور ) است .
اسلاید 11 :
اين فرکانس مستقيما متناسب با قدرت ميدان مغناطيسي اعمال شده است . با ايجاد چنين فرکانسي ، دو ميدان جفت شده و انرژي تابش ورودي به هسته منتقل مي گردد و موجب تغيير اسپين مي شود . اين عمل رزونانس ناميده مي شود .
اسلاید 12 :
نسبت بولتزمن اسپينهاي هسته اي در سطوح فوقاني و زيرين را مي توان از معادله زير به دست آورد :
مثلا براي دستگاهي که در 60MHz کار مي کند و در دماي 298K ، تعداد هسته هاي موجود در حالت اسپيني پايينتر 1,000,009 هسته و تعداد هسته هايي که حالت اسپيني بالاتر را اشغال نموده اند 1,000,000 هسته هستند :
دانسيته جمعيتهاي حالات اسپين هسته
اسلاید 13 :
هسته هاي مازاد آنهايي هستند که اجازه مشاهده رزونانس را مي دهند . هنگاميکه جمعيت هر دو تراز برابر گردد , در آن صورت حالت اشباع شدگي رخ داده و رزونانسي مشاهده نمي شود . اشباع شدگي هنگامي بسرعت رخ مي دهد که قدرت سيگنال RF بسيار زياد باشد . با افزايش فرکانس دستگاه , اختلاف انرژي بين دو حالت فزوني يافته , و در نتيجه جمعيت مازاد افزايش مي يابد .
تغييرات مازاد هسته هاي H با فرکانس دستگاه
اسلاید 14 :
تغيير مکان شيميايي و اثر مانع
اهميت رزونانس مغناطيسي هسته اي از آن جا آشکار مي شود که در يک مولکول ، تمام پروتون ها در يک فرکانس رزونانس نمي کنند . اين بدين دليل است که پروتون هاي مولکول توسط الکترونها احاطه شده و محيط الکتروني هر يک از پروتونها بطور جزيي با ديگر پروتونها فرق مي کند . به عبارت ديگر ، پروتونها توسط الکترونهايي که آنها را احاطه کرده اند پوشيده يا محافظت مي شوند . در يک ميدان معناطيسي ، الکترونهاي ظرفيتي پروتونها مي چرخند . اين چرخش که جريان ديامغناطيس محلي خوانده مي شود ، توليد ميدان مغناطيسي متضادي مي کند که در جهت مخالف ميدان مغناطيسي اعمال شده عمل مي نمايد . اين اثر که مانع ديامغناطيسي يا آنيزوتروپي ديا مغناطيسي ناميده ميشود.
اسلاید 15 :
در يک اتم ، جريان مغناطيسي محلي توليد يک ميدان مغناطيسي ثانويه مي نمايد که داراي جهتي مخالف ميدان مغناطيسي اعمال شده است . در نتيجه آنيزوتروپي ديا مغناطيس ، پروتون در مولکول بسته به دانسيته الکتروني اطراف آن از جانب ميدان مغناطيسي اعمال شده محافظت مي شود . هر قدر دانسيته الکتروني اطراف يک هسته بيشتر باشد ميدان مغناطيسي توليد شده توسط الکترونها ، که در جهت عکس ميدان اعمال شده است ، بيشتر خواهد بود .
اسلاید 16 :
در يک محلول براي محاسبه جابجايي شيميايي از يک ترکيب شاهد استفاده مي شود و فرکانس رزونانس هر پروتون نمونه نسبت به آن سنجيده مي شود . به عبارت بهتر ، اختلاف فرکانس اندازه گيري مي شود . ماده شاهد استاندارد ، تترا متيل سيلان بوده که به TMS موسوم است . علت استفاده از اين ماده اين است که پروتونهاي گروههاي متيل آن بيش از اکثر ترکيبات محافظت مي شود .
براي محاسبه تغيير مکان شيميايي از رابطه زير استفاده مي شود و قابل ذکر است که تغيير مکان شيميايي بر حسب واحد Hz براي دستگاه هاي NMR با قدرت متفاوت ، يکسان نمي باشد در صورتي که بر حسب واحد ppm مقدار آن براي تمامي دستگاه ها ، مقداري ثابت مي باشد .
تغيير مکان بر حسب Hz
فرکانس طيف سنج بر حسب MHz
اسلاید 17 :
دو نوع طيف سنج براي اين منظور موجود است :
1 - دستگاه موج پيوسته (CW) :که نمونه از آن در زير ديده مي شود .
طيف سنج رزونانس مغناطيسي هسته اي
اسلاید 18 :
2- دستگاه تبديل فوريه تپشي : اين روش استفاده از يک انفجار انرژي قدرتمند ولي کوتاه به نام تپ است که کليه هسته هاي مغناطيسي در مولکول را بطور همزمان تهييج مي کند . وقتي تپ متوقف شد ، در آن صورت هسته هاي تهييج شده شروع به از دست دادن انرژي تهييج خود مي کنند و به حالت اسپيني اوليه خود باز مي گردند . آنگاه که هسته برانگيخته شده آسايش مي کند ، شروع به تابش اشعه الکترومغناطيس مي نمايد . چون مولکول حاوي هسته هاي مختلف بسيار است لذا ، فرکانسهاي گوناگون بسياري از اشعه الکترومغناطيسي بطور همزمان تابش خواهند نمود . اين تابش را زوال القاي آزاد (FID) مي نامند .
اسلاید 19 :
معادل بودن شيميايي – مرور مقدماتي
تمام پروتونهاي يک مولکول که در محيط شيميايي يکساني قرار دارند , اغلب داراي مکان شيميايي يکساني هستند . اين پروتونها از لحاظ شيميايي معادل خوانده مي شوند . از طرفي , مجموعه اي از پروتونهاي موجود در مولکولها که از لحاظ شيميايي متفاوت هستند , جذب مختص به خود را مي دهند . اغلب پروتونهايي که معادل شيميايي هستند , معادل مغناطيسي نيز مي باشند ولي اين قاعده هميشه صحت ندارد .
اين مولکول ها فقط يک جذب مي دهند .
اسلاید 20 :
با استفاده از انتگرال گيري مي توان به تعداد هيدروژن هاي موجود در نمونه پي برد .
