طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای

مقدمه

شاید مهم ترین طیف سنجی در شناسایی ساختار گسترده ا‌ی ترکیبات آلی، طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) باشد. تکنیک طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای بر اساس اندازه گیری تابش الکترومغناطیسی در ناحیه فرکانس رادیویی تقریبا 4 تا 600 مگاهرتز می باشد. بر خلاف جذب های فرابنفش، مرئی و زیر قرمز که الکترون ها در فرایند جذب درگیرند، در این تکنیک هسته اتم ها در فرایند جذب درگیر می باشند. اساس نظری این تکنیک نخستین بار در سال 1924 توسط دبلیو پائولی ارایه شد.

او پیشنهاد کرد هسته های اتمی خاص، خواص اسپین و گشتاور مغناطیسی دارند که در نتیجه قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی به شکافتگی انرژی آن ها منجر می شود. به هرحال تا سال 1946 طول کشید که بلاخ در دانشگاه استانفورد و پرسل در هاروارد به طور مستقل نشان دادند که هسته در یک میدان مغناطیسی قوی که به شکافتگی سطوح انرژی منجر می شود، تابش الکترومغناطیسی را جذب می کند. این دو فیزیکدان برای این کار در سال 1952 جایزه نوبل فیزیک را به طور مشترک در یافت کردند.

در سال 1953، اولین طیف سنج با تکنیک بالای NMR جهت مطالعات ساختار شیمیایی توسط شرکت واریان به بازار عرضه شد و آثار شگرفی بر پیشرفت شیمی آلی، شیمی معدنی و زیست شیمی به جا گذاشته است که بی تردید، هرگز این چنین فاصله کوتاهی بین یک کشف اولیه و کاربرد گسترده و پذیرش عمومی آن موجود نبوده است.

به منظور بررسی خواص هسته های خاص ، لازم است که فرض شود آن ها حول یک محور خاص می چرخند و بنابراین خاصیت اسپین دارند. حداکثر تعداد اجزای اسپین برای یک هسته ی خاص به عدد کوانتومی اسپین (I) آن بستگی دارد، مشخص شده است که یک هسته (2I+1) حالت مجزا دارد. حال فرض می کنیم هسته ای با عدد کوانتومی 1/2 در داخل یک میدان مغناطیسی خارجی که با علامت B0 نشان می دهند قرار گرفته است، در این حالت مطابق شکل زیر هسته به دو تراز شکافته می شود که اختلاف انرژی بین این دو تراز را با E∆ نشان می دهند. مانند انواع دیگر طیف بینی، انتقال های بین حالت های انرژی می توانند با جذب یا نشر تابش الکترومغناطیس با فرکانس متناسب برای انجام گذار همراه باشند.

دو روش عمده ی این تکنیک، طیف سنجی هیدروژن و کربن می باشند که به ترتیب با علایم اختصاری HNMR و CNMR شناخته می شوند.

حساسیت دستگاه های NMR غیر هیدروژنی مثل ¹²C، در بیشتر موارد، در مقایسه با HNMR کمتر می باشد. هم چنین، فراوانی طبیعی هسته های مغناطیسی غیر هیدروژنی به میزان قابل ملاحظه‌ای کمتر از پروتونی است. این فاکتور سبب می‌شود که طیف‌های NMR هسته های غیرهیدروژنی، نسبت سیگنال به نویز کمی داشته و پیک های این طیف ها کوچک تر هستند.

اهمیت HNMR از آن لحاظ است که تقریبا تمامی ترکیبات آلی، دارای هیدروژن می باشند و چون در واقع تمامی هیدروژن های موجود در ترکیبات آلی دارای ایزوتوپ پروتون هستند، لذا تمامی ترکیبات آلی قابل استفاده در این دستگاه می باشند. اطلاعاتی که این دستگاه به ما می دهد نقش بسیار مهمی در یافتن ساختار گسترده ی مولکول دارد و عملاً بدون این طیف سنجی ساختار گسترده ای که رسم می کنیم بسیار نامطمئن خواهد بود. این دستگاه نمونه را تخریب نکرده و می توان نمونه را دوباره بازیابی کرد.