Metode spektroskopi NMR didasarkan pada sifat magnetik inti. Inti atom membawa muatan positif dan berputar di sekitar sumbunya. Rotasi muatan menyebabkan munculnya dipol magnetik.
Momentum sudut rotasi, yang dapat digambarkan dengan bilangan kuantum spin (I). Nilai numerik bilangan kuantum spin sama dengan jumlah bilangan kuantum spin proton dan neutron yang membentuk nukleus.
Bilangan kuantum spin dapat mengambil nilai
Jika jumlah nukleon genap, maka nilai I = 0, atau bilangan bulat. Ini adalah inti seperti C 12 , H 2 , N 14 , inti tersebut tidak menyerap radiasi frekuensi radio dan tidak memberikan sinyal dalam spektroskopi NMR.
I = ± 1/2 H 1 , P 31 , F 19 - menyerap radiasi frekuensi radio, memberikan sinyal spektrum NMR.
I = ± 1 1/2 CL 35 , Br 79 - distribusi muatan asimetris di atas permukaan inti. Ini menghasilkan momen quadrupole. Inti tersebut tidak dipelajari oleh spektroskopi NMR.
PMR - spektroskopi
Nilai numerik I (I = ± 1/2) menentukan jumlah kemungkinan orientasi inti dalam medan magnet luar sesuai dengan rumus:
Rumus ini menunjukkan bahwa jumlah orientasi adalah 2.
Untuk melakukan transisi proton yang terletak di tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi, perlu diberikan energi yang sama dengan perbedaan energi tingkat-tingkat ini, yaitu, disinari dengan radiasi yang ditentukan secara ketat. kemurnian. Perbedaan tingkat energi (ΔΕ) tergantung pada besarnya medan magnet yang diterapkan (H 0) dan sifat magnet inti, yang digambarkan oleh momen magnetik (μ). Nilai ini ditentukan oleh rotasi:
, di mana
h adalah konstanta Planck
Besarnya medan magnet luar
adalah koefisien proporsionalitas, yang disebut rasio gyromagnetic, menentukan hubungan antara bilangan kuantum spin I dan momen magnetik .
– persamaan dasar NMR, ini berhubungan dengan besarnya medan magnet luar, sifat magnet inti dan kemurnian radiasi di mana penyerapan energi radiasi terjadi dan inti melewati antar tingkat.
Dapat dilihat dari entri di atas bahwa untuk inti yang sama, proton, ada hubungan yang ketat antara nilai H 0 dan .
Jadi, misalnya, agar inti proton berada dalam medan magnet luar 14000 gauss, mereka perlu disinari dengan frekuensi 60 MHz, jika hingga 23000 gauss, maka radiasi dengan frekuensi 100 MHz akan menjadi yg dibutuhkan.
Jadi, dari penjelasan di atas, bagian utama spektrometer NMR harus menjadi magnet yang kuat dan sumber radiasi frekuensi radio.
Analit ditempatkan dalam ampul yang terbuat dari kaca kelas khusus setebal 5 mm. Ampul ditempatkan di celah magnet, untuk distribusi medan magnet yang lebih seragam di dalam ampul, ia berputar di sekitar porosnya, dengan bantuan kumparan, radiasi dihasilkan oleh radiasi frekuensi radio secara terus menerus. Frekuensi radiasi ini bervariasi dalam kisaran kecil. Pada titik waktu tertentu, ketika frekuensi tepat sesuai dengan persamaan spektroskopi NMR, penyerapan energi radiasi diamati dan proton mengarahkan ulang putarannya - penyerapan energi ini dicatat oleh kumparan penerima dalam bentuk puncak yang sempit.
Dalam beberapa model spektrometer, =const, dan di gang kecil, nilai H 0 berubah. Untuk mendaftarkan spektrum, diperlukan 0,4 ml zat, jika zat itu padat, dilarutkan dalam larutan yang sesuai, harus diambil 10-50 ml/g zat.
Untuk mendapatkan spektrum berkualitas tinggi, perlu menggunakan larutan dengan konsentrasi 10 - 20%. Batas sensitivitas NMR sesuai dengan 5%.
Untuk meningkatkan sensitivitas menggunakan komputer, banyak jam akumulasi sinyal digunakan, sedangkan sinyal yang berguna meningkatkan intensitas.
Dengan perbaikan lebih lanjut dari teknik distribusi spektrum NMR, penggunaan transformasi sinyal Fourier. Dalam hal ini, sampel disinari bukan dengan radiasi dengan frekuensi yang berubah secara perlahan, tetapi dengan radiasi yang menggabungkan semua frekuensi dalam satu paket. Dalam hal ini, radiasi satu frekuensi diserap, dan proton pergi ke tingkat energi atas, kemudian pulsa pendek dimatikan dan setelah itu proton yang tereksitasi mulai kehilangan energi yang diserap dan pergi ke tingkat yang lebih rendah. Fenomena energi ini dicatat oleh sistem dalam bentuk serangkaian pulsa milidetik yang meluruh dalam waktu.
Pelarut yang ideal adalah zat yang tidak mengandung proton, yaitu karbon tetraklorida dan karbon sulfat, namun, beberapa zat tidak larut dalam larutan ini, oleh karena itu, pelarut apa pun dalam molekul di mana atom-atom dari isotop ringan H1 berada. digantikan oleh atom-atom dari isotop deuterium berat yang digunakan. Frekuensi isotop harus sesuai dengan 99%.
DCl 3 - deuterium
Deuterium dalam spektrum NMR tidak memberikan sinyal. Pengembangan lebih lanjut dari metode ini adalah penggunaan komputer berkecepatan tinggi dan konversi sinyal. Dalam hal ini, alih-alih pemindaian terakhir dari frekuensi radiasi, radiasi sesaat yang mengandung semua frekuensi yang mungkin ditumpangkan pada sampel. Dalam hal ini, eksitasi seketika dari semua inti dan reorientasi putarannya terjadi. Setelah radiasi dimatikan, inti mulai memancarkan energi dan bergerak ke tingkat energi yang lebih rendah. Semburan energi ini berlangsung selama beberapa detik dan terdiri dari serangkaian pulsa mikrodetik, yang didaftarkan oleh sistem registrasi dalam bentuk garpu.
1. Inti dari fenomena
Pertama-tama, perlu dicatat bahwa meskipun kata "nuklir" hadir atas nama fenomena ini, NMR tidak ada hubungannya dengan fisika nuklir dan tidak ada hubungannya dengan radioaktivitas. Jika kita berbicara tentang deskripsi yang ketat, maka seseorang tidak dapat melakukannya tanpa hukum mekanika kuantum. Menurut hukum ini, energi interaksi inti magnet dengan medan magnet luar hanya dapat mengambil beberapa nilai diskrit. Jika inti magnet disinari dengan medan magnet bolak-balik, frekuensi yang sesuai dengan perbedaan antara tingkat energi diskrit ini, dinyatakan dalam satuan frekuensi, maka inti magnet mulai bergerak dari satu tingkat ke tingkat lainnya, sambil menyerap energi bolak-balik. bidang. Ini adalah fenomena resonansi magnetik. Penjelasan ini secara formal benar, tetapi tidak terlalu jelas. Ada penjelasan lain, tanpa mekanika kuantum. Inti magnetik dapat dianggap sebagai bola bermuatan listrik yang berputar di sekitar porosnya (walaupun sebenarnya tidak demikian). Menurut hukum elektrodinamika, rotasi muatan mengarah pada munculnya medan magnet, yaitu momen magnet inti, yang diarahkan sepanjang sumbu rotasi. Jika momen magnet ini ditempatkan dalam medan eksternal yang konstan, maka vektor momen ini mulai berpresesi, yaitu berputar di sekitar arah medan eksternal. Dengan cara yang sama, sumbu roda pemintal melakukan presesi (berputar) di sekitar vertikal, jika dilepaskan tidak sepenuhnya vertikal, tetapi pada sudut tertentu. Dalam hal ini, peran medan magnet dimainkan oleh gaya gravitasi.
Frekuensi presesi ditentukan baik oleh sifat nukleus maupun oleh kekuatan medan magnet: semakin kuat medannya, semakin tinggi frekuensinya. Kemudian, jika, selain medan magnet eksternal yang konstan, medan magnet bolak-balik bekerja pada nukleus, maka nukleus mulai berinteraksi dengan medan ini - seolah-olah, mengayunkan nukleus lebih kuat, amplitudo presesi meningkat, dan inti menyerap energi medan bolak-balik. Namun, ini hanya akan terjadi di bawah kondisi resonansi, yaitu, kebetulan frekuensi presesi dan frekuensi medan bolak-balik eksternal. Sepertinya contoh klasik dari fisika sekolah - tentara berbaris melintasi jembatan. Jika frekuensi langkah bertepatan dengan frekuensi alami jembatan, maka jembatan akan semakin bergoyang. Secara eksperimental, fenomena ini memanifestasikan dirinya dalam ketergantungan penyerapan medan bolak-balik pada frekuensinya. Pada saat resonansi, penyerapan meningkat tajam, dan spektrum resonansi magnetik paling sederhana terlihat seperti ini:
2. Spektroskopi Fourier
Spektrometer NMR pertama bekerja persis seperti yang dijelaskan di atas - sampel ditempatkan dalam medan magnet konstan, dan radiasi RF terus diterapkan padanya. Kemudian frekuensi medan bolak-balik atau intensitas medan magnet konstan berubah dengan lancar. Penyerapan energi dari medan bolak-balik direkam oleh jembatan frekuensi radio, yang sinyalnya dikeluarkan ke perekam atau osiloskop. Tetapi metode pendaftaran sinyal ini sudah lama tidak digunakan. Dalam spektrometer NMR modern, spektrum direkam menggunakan pulsa. Momen magnetik inti dirangsang oleh pulsa kuat pendek, setelah itu sinyal direkam, yang diinduksi dalam koil RF dengan memprakarsai momen magnetik secara bebas. Sinyal ini secara bertahap menurun ke nol saat momen magnetik kembali ke keseimbangan (proses ini disebut relaksasi magnetik). Spektrum NMR diperoleh dari sinyal ini menggunakan transformasi Fourier. Ini adalah prosedur matematika standar yang memungkinkan Anda untuk menguraikan sinyal apa pun menjadi harmonik frekuensi dan dengan demikian memperoleh spektrum frekuensi dari sinyal ini. Metode perekaman spektrum ini memungkinkan Anda untuk secara signifikan mengurangi tingkat kebisingan dan melakukan eksperimen lebih cepat.
Satu pulsa eksitasi untuk merekam spektrum adalah eksperimen NMR yang paling sederhana. Namun, mungkin ada banyak pulsa seperti itu, dengan durasi yang berbeda, amplitudo, dengan penundaan yang berbeda di antara mereka, dll., Dalam percobaan, tergantung pada jenis manipulasi apa yang perlu dilakukan peneliti dengan sistem momen magnetik nuklir. Namun, hampir semua urutan pulsa ini berakhir dengan hal yang sama - merekam sinyal presesi bebas diikuti oleh transformasi Fourier.
3. Interaksi magnetik dalam materi
Dalam dirinya sendiri, resonansi magnetik akan tetap tidak lebih dari fenomena fisik yang menarik, jika bukan karena interaksi magnetik inti satu sama lain dan dengan kulit elektron molekul. Interaksi ini mempengaruhi parameter resonansi, dan dengan bantuan mereka, metode NMR dapat digunakan untuk memperoleh berbagai informasi tentang sifat-sifat molekul - orientasinya, struktur spasial (konformasi), interaksi antarmolekul, pertukaran kimia, dinamika rotasi dan translasi. Berkat ini, NMR telah menjadi alat yang sangat kuat untuk mempelajari zat pada tingkat molekuler, yang banyak digunakan tidak hanya dalam fisika, tetapi terutama dalam kimia dan biologi molekuler. Contoh dari salah satu interaksi ini adalah apa yang disebut pergeseran kimia. Esensinya adalah sebagai berikut: kulit elektron molekul merespons medan magnet eksternal dan mencoba menyaringnya - penyaringan sebagian medan magnet terjadi di semua zat diamagnetik. Ini berarti bahwa medan magnet dalam molekul akan berbeda dari medan magnet luar dengan jumlah yang sangat kecil, yang disebut pergeseran kimia. Namun, sifat kulit elektron di berbagai bagian molekul berbeda, dan pergeseran kimianya juga berbeda. Dengan demikian, kondisi resonansi untuk inti di berbagai bagian molekul juga akan berbeda. Hal ini memungkinkan untuk membedakan inti kimia yang tidak setara dalam spektrum. Misalnya, jika kita mengambil spektrum inti hidrogen (proton) air murni, maka hanya akan ada satu garis di dalamnya, karena kedua proton dalam molekul H 2 O persis sama. Tetapi untuk metil alkohol CH 3 OH sudah akan ada dua garis dalam spektrum (jika interaksi magnetik lainnya diabaikan), karena ada dua jenis proton - proton dari gugus metil CH 3 dan proton yang terkait dengan atom oksigen. Ketika molekul menjadi lebih kompleks, jumlah garis akan bertambah, dan jika kita mengambil molekul yang begitu besar dan kompleks seperti protein, maka dalam kasus ini spektrumnya akan terlihat seperti ini:
4. Inti magnetik
NMR dapat diamati pada inti yang berbeda, tetapi harus dikatakan bahwa tidak semua inti memiliki momen magnet. Sering terjadi bahwa beberapa isotop memiliki momen magnetik, sedangkan isotop lain dari inti yang sama tidak. Secara total, ada lebih dari seratus isotop dari berbagai unsur kimia yang memiliki inti magnet, tetapi biasanya tidak lebih dari 1520 inti magnet digunakan dalam penelitian, yang lainnya eksotis. Setiap nukleus memiliki rasio karakteristik medan magnet dan frekuensi presesinya sendiri, yang disebut rasio gyromagnetic. Untuk semua inti, rasio ini diketahui. Dengan menggunakannya, seseorang dapat memilih frekuensi di mana, untuk medan magnet tertentu, sinyal dari inti yang dibutuhkan oleh peneliti akan diamati.
Inti yang paling penting untuk NMR adalah proton. Mereka paling melimpah di alam, dan mereka memiliki sensitivitas yang sangat tinggi. Untuk kimia dan biologi, inti karbon, nitrogen, dan oksigen sangat penting, tetapi para ilmuwan tidak terlalu beruntung dengan mereka: isotop karbon dan oksigen yang paling umum, 12 C dan 16 O, tidak memiliki momen magnet, alam isotop nitrogen 14N memiliki momen, tetapi sejumlah alasan untuk eksperimen sangat merepotkan. Ada 13 isotop C, 15 N dan 17 O yang cocok untuk eksperimen NMR, tetapi kelimpahan alaminya sangat rendah dan sensitivitasnya sangat rendah dibandingkan dengan proton. Oleh karena itu, sampel khusus yang diperkaya secara isotop sering disiapkan untuk studi NMR, di mana isotop alami dari satu atau lain nukleus digantikan oleh yang diperlukan untuk percobaan. Dalam kebanyakan kasus, prosedur ini sangat sulit dan mahal, tetapi terkadang ini adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan informasi yang diperlukan.
5. Resonansi paramagnetik elektron dan kuadrupol
Berbicara tentang NMR, kita tidak dapat tidak menyebutkan dua fenomena fisik terkait lainnya - resonansi paramagnetik elektron (EPR) dan resonansi quadrupole nuklir (NQR). EPR pada dasarnya mirip dengan NMR, perbedaannya terletak pada kenyataan bahwa resonansi diamati pada momen magnetik bukan pada inti atom, tetapi pada kulit elektron atom. EPR hanya dapat diamati pada molekul atau kelompok kimia yang kulit elektronnya mengandung apa yang disebut elektron tidak berpasangan, maka kulit tersebut memiliki momen magnet yang tidak nol. Zat seperti itu disebut paramagnet. EPR, seperti NMR, juga digunakan untuk mempelajari berbagai sifat struktural dan dinamis zat pada tingkat molekuler, tetapi cakupannya jauh lebih sempit. Ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar molekul, terutama di alam hidup, tidak mengandung elektron yang tidak berpasangan. Dalam beberapa kasus, dimungkinkan untuk menggunakan apa yang disebut probe paramagnetik, yaitu gugus kimia dengan elektron tidak berpasangan yang mengikat molekul yang diteliti. Tetapi pendekatan ini memiliki kelemahan yang jelas yang membatasi kemungkinan metode ini. Selain itu, dalam EPR tidak ada resolusi spektral yang tinggi (yaitu, kemampuan untuk membedakan satu garis dari yang lain dalam spektrum) seperti pada NMR.
Paling sulit untuk menjelaskan sifat NQR "di jari". Beberapa inti memiliki apa yang disebut momen kuadrupol listrik. Momen ini mencirikan penyimpangan distribusi muatan listrik inti dari simetri bola. Interaksi momen ini dengan gradien medan listrik yang diciptakan oleh struktur kristal zat mengarah pada pemisahan tingkat energi nukleus. Dalam hal ini, resonansi dapat diamati pada frekuensi yang sesuai dengan transisi antara level-level ini. Tidak seperti NMR dan EPR, NQR tidak memerlukan medan magnet eksternal, karena pemisahan level terjadi tanpanya. NQR juga digunakan untuk mempelajari zat, tetapi cakupannya bahkan lebih sempit daripada EPR.
6. Keuntungan dan kerugian dari NMR
NMR adalah metode yang paling kuat dan informatif untuk mempelajari molekul. Sebenarnya, ini bukan satu metode, tetapi sejumlah besar jenis eksperimen yang berbeda, yaitu, urutan pulsa. Meskipun semuanya didasarkan pada fenomena NMR, tetapi masing-masing eksperimen ini dirancang untuk mendapatkan beberapa informasi spesifik tertentu. Jumlah eksperimen ini diukur dengan puluhan, jika tidak ratusan. Secara teoritis, NMR dapat, jika tidak semuanya, maka hampir semua metode eksperimental lain untuk mempelajari struktur dan dinamika molekul dapat, meskipun dalam praktiknya, tentu saja, jauh dari selalu layak. Salah satu keuntungan utama NMR adalah, di satu sisi, probe alaminya, yaitu inti magnetik, didistribusikan ke seluruh molekul, dan, di sisi lain, memungkinkan untuk membedakan inti ini satu sama lain dan memperoleh data selektif spasial tentang sifat-sifat molekul. Hampir semua metode lain memberikan informasi baik rata-rata di seluruh molekul, atau hanya tentang salah satu bagiannya.
Ada dua kelemahan utama NMR. Pertama, ini adalah sensitivitas yang rendah dibandingkan dengan kebanyakan metode eksperimental lainnya (spektroskopi optik, fluoresensi, EPR, dll.). Ini mengarah pada fakta bahwa untuk meratakan kebisingan, sinyal harus diakumulasikan untuk waktu yang lama. Dalam beberapa kasus, eksperimen NMR dapat dilakukan bahkan selama beberapa minggu. Kedua, biayanya yang tinggi. Spektrometer NMR adalah salah satu instrumen ilmiah yang paling mahal, biaya setidaknya ratusan ribu dolar, dengan spektrometer paling mahal biaya beberapa juta. Tidak semua laboratorium, terutama di Rusia, mampu memiliki peralatan ilmiah seperti itu.
7. Magnet untuk spektrometer NMR
Salah satu bagian yang paling penting dan mahal dari spektrometer adalah magnet, yang menciptakan medan magnet konstan. Semakin kuat medannya, semakin tinggi sensitivitas dan resolusi spektralnya, sehingga para ilmuwan dan insinyur terus-menerus berusaha mendapatkan medan setinggi mungkin. Medan magnet dibuat oleh arus listrik di solenoida - semakin kuat arus, semakin besar medannya. Namun, tidak mungkin untuk meningkatkan arus tanpa batas; pada arus yang sangat tinggi, kawat solenoida akan mulai meleleh. Oleh karena itu, magnet superkonduktor, yaitu magnet di mana kawat solenoida berada dalam keadaan superkonduktor, telah digunakan untuk waktu yang sangat lama untuk spektrometer NMR medan tinggi. Dalam hal ini, hambatan listrik kawat adalah nol, dan tidak ada energi yang dilepaskan pada nilai arus berapa pun. Keadaan superkonduktor hanya dapat diperoleh pada suhu yang sangat rendah, hanya beberapa derajat Kelvin - ini adalah suhu helium cair. (Superkonduktivitas suhu tinggi masih merupakan penelitian mendasar yang murni.) Dengan pemeliharaan suhu yang begitu rendah, semua kesulitan teknis dalam desain dan produksi magnet terhubung, yang menyebabkan biaya tinggi. Magnet superkonduktor dibangun berdasarkan prinsip matryoshka termos. Solenoid ada di tengah, di ruang vakum. Itu dikelilingi oleh cangkang yang mengandung helium cair. Cangkang ini dikelilingi oleh cangkang nitrogen cair melalui lapisan vakum. Suhu nitrogen cair minus 196 derajat Celcius, nitrogen dibutuhkan agar helium menguap selambat mungkin. Akhirnya, cangkang nitrogen diisolasi dari suhu kamar oleh lapisan vakum luar. Sistem seperti itu mampu mempertahankan suhu yang diinginkan dari magnet superkonduktor untuk waktu yang sangat lama, meskipun ini membutuhkan penuangan nitrogen cair dan helium secara teratur ke dalam magnet. Keuntungan dari magnet tersebut, selain kemampuan untuk mendapatkan medan magnet yang tinggi, juga tidak mengkonsumsi energi: setelah magnet dimulai, arus mengalir melalui kabel superkonduktor tanpa kehilangan selama bertahun-tahun.
8. Tomografi
Pada spektrometer NMR konvensional, mereka mencoba membuat medan magnet seseragam mungkin, hal ini diperlukan untuk meningkatkan resolusi spektral. Tetapi jika medan magnet di dalam sampel, sebaliknya, dibuat sangat tidak homogen, ini pada dasarnya membuka kemungkinan baru untuk menggunakan NMR. Ketidakhomogenan medan diciptakan oleh apa yang disebut kumparan gradien, yang dipasangkan dengan magnet utama. Dalam hal ini, besarnya medan magnet di berbagai bagian sampel akan berbeda, yang berarti bahwa sinyal NMR tidak dapat diamati dari seluruh sampel, seperti pada spektrometer konvensional, tetapi hanya dari lapisan sempitnya, yang kondisi resonansi terpenuhi, yaitu rasio medan magnet dan frekuensi yang diinginkan. Dengan mengubah besarnya medan magnet (atau, yang pada dasarnya sama, frekuensi pengamatan sinyal), Anda dapat mengubah lapisan yang akan memberikan sinyal. Dengan demikian, dimungkinkan untuk "memindai" sampel di seluruh volumenya dan "melihat" struktur tiga dimensi internalnya tanpa merusak sampel dengan cara mekanis apa pun. Sampai saat ini, sejumlah besar teknik telah dikembangkan yang memungkinkan untuk mengukur berbagai parameter NMR (karakteristik spektral, waktu relaksasi magnetik, laju difusi diri, dan beberapa lainnya) dengan resolusi spasial di dalam sampel. Yang paling menarik dan penting, dari sudut pandang praktis, penggunaan tomografi NMR ditemukan dalam pengobatan. Dalam hal ini “sampel” yang diperiksa adalah tubuh manusia. Pencitraan NMR adalah salah satu alat diagnostik yang paling efektif dan aman (tetapi juga mahal) di berbagai bidang kedokteran, mulai dari onkologi hingga kebidanan. Sangat mengherankan untuk dicatat bahwa dokter tidak menggunakan kata "nuklir" dalam nama metode ini, karena beberapa pasien mengaitkannya dengan reaksi nuklir dan bom atom.
9. Sejarah penemuan
Tahun penemuan NMR dianggap 1945, ketika orang Amerika Felix Bloch dari Stanford dan secara independen Edward Parcell dan Robert Pound dari Harvard pertama kali mengamati sinyal NMR pada proton. Pada saat itu, banyak yang sudah diketahui tentang sifat magnet nuklir, efek NMR itu sendiri secara teoritis diprediksi, dan beberapa upaya dilakukan untuk mengamatinya secara eksperimental. Penting untuk dicatat bahwa setahun sebelumnya di Uni Soviet, di Kazan, fenomena EPR ditemukan oleh Evgeny Zavoisky. Sekarang diketahui bahwa Zavoisky juga mengamati sinyal NMR, ini sebelum perang, pada tahun 1941. Namun, ia memiliki magnet berkualitas buruk dengan keseragaman medan yang buruk, hasilnya tidak dapat direproduksi dengan baik dan oleh karena itu tetap tidak dipublikasikan. Sejujurnya, perlu dicatat bahwa Zavoisky bukan satu-satunya yang mengamati NMR sebelum penemuan "resminya". Secara khusus, fisikawan Amerika Isidore Rabi (pemenang Hadiah Nobel pada tahun 1944 untuk studi sifat magnetik inti dalam berkas atom dan molekul) juga mengamati NMR pada akhir 1930-an, tetapi menganggap ini sebagai artefak instrumental. Dengan satu atau lain cara, tetapi negara kita tetap menjadi prioritas dalam deteksi eksperimental resonansi magnetik. Meskipun Zavoisky sendiri segera setelah perang mulai berurusan dengan masalah lain, penemuannya untuk pengembangan ilmu pengetahuan di Kazan memainkan peran besar. Kazan masih menjadi salah satu pusat penelitian terkemuka di dunia untuk spektroskopi EPR.
10. Hadiah Nobel dalam Resonansi Magnetik
Pada paruh pertama abad ke-20, beberapa Hadiah Nobel diberikan kepada para ilmuwan yang tanpa karyanya penemuan NMR tidak mungkin terjadi. Diantaranya adalah Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Tapi ada empat Hadiah Nobel yang berhubungan langsung dengan NMR. Pada tahun 1952, Felix Bloch dan Edward Purcell menerima hadiah untuk penemuan NMR. Ini adalah satu-satunya Hadiah Nobel "NMR" dalam fisika. Pada tahun 1991, Richard Ernst dari Swiss, yang bekerja di ETH Zurich yang terkenal, memenangkan Hadiah Kimia. Dia dianugerahi untuk pengembangan metode spektroskopi NMR multidimensi, yang memungkinkan untuk secara radikal meningkatkan konten informasi eksperimen NMR. Pada tahun 2002, pemenang hadiah, juga dalam bidang kimia, adalah Kurt Wüthrich, yang bekerja dengan Ernst di gedung-gedung tetangga di Sekolah Teknik yang sama. Dia menerima penghargaan untuk mengembangkan metode untuk menentukan struktur tiga dimensi protein dalam larutan. Sebelum ini, satu-satunya metode yang memungkinkan penentuan konformasi spasial biomakromolekul besar hanyalah analisis difraksi sinar-X. Akhirnya, pada tahun 2003, orang Amerika Paul Lauterbur dan orang Inggris Peter Mansfield menerima Hadiah Medis untuk penemuan pencitraan NMR. Penemu Soviet EPR E.K. Zavoisky, sayangnya, tidak menerima Hadiah Nobel.
Spektroskopi resonansi magnetik nuklir adalah salah satu metode yang paling umum dan sangat sensitif untuk menentukan struktur senyawa organik, yang memungkinkan untuk memperoleh informasi tidak hanya tentang komposisi kualitatif dan kuantitatif, tetapi juga tentang susunan atom relatif satu sama lain. Dalam berbagai teknik NMR, ada banyak kemungkinan untuk menentukan struktur kimia zat, keadaan konfirmasi molekul, efek saling pengaruh, dan transformasi intramolekul.
Metode resonansi magnetik nuklir memiliki sejumlah ciri khas: tidak seperti spektrum molekul optik, penyerapan radiasi elektromagnetik oleh suatu zat terjadi dalam medan magnet luar seragam yang kuat. Selain itu, untuk melakukan studi NMR, eksperimen harus memenuhi sejumlah kondisi yang mencerminkan prinsip umum spektroskopi NMR:
1) perekaman spektrum NMR hanya dimungkinkan untuk inti atom dengan momen magnetiknya sendiri atau yang disebut inti magnetik, di mana jumlah proton dan neutron sedemikian rupa sehingga jumlah massa inti isotop ganjil. Semua inti dengan nomor massa ganjil memiliki spin I yang nilainya 1/2. Jadi untuk inti 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 P nilai spinnya 1/2, untuk inti 7 Li, 23 Na, 39 K dan 4 l R - spinnya 3/2. Inti dengan nomor massa genap baik tidak memiliki putaran sama sekali jika muatan inti genap, atau memiliki nilai putaran bilangan bulat jika muatannya ganjil. Hanya inti yang spinnya I 0 yang dapat memberikan spektrum NMR.
Kehadiran spin dikaitkan dengan sirkulasi muatan atom di sekitar nukleus, oleh karena itu, momen magnetik muncul μ . Muatan yang berputar (misalnya, proton) dengan momentum sudut J menciptakan momen magnet =γ*J . Momen inti sudut J dan momen magnet yang timbul selama rotasi dapat direpresentasikan sebagai vektor. Rasio konstan mereka disebut rasio gyromagnetic . Konstanta inilah yang menentukan frekuensi resonansi inti (Gbr. 1.1).
Gambar 1.1 - Muatan yang berputar dengan momentum sudut J menciptakan momen magnet =γ*J .
2) metode NMR menyelidiki penyerapan atau emisi energi di bawah kondisi yang tidak biasa untuk pembentukan spektrum: berbeda dengan metode spektral lainnya. Spektrum NMR direkam dari suatu zat dalam medan magnet seragam yang kuat. Inti seperti itu dalam medan eksternal memiliki nilai energi potensial yang berbeda tergantung pada beberapa sudut orientasi yang mungkin (terkuantisasi) dari vektor relatif terhadap vektor kekuatan medan magnet luar H 0 . Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, momen magnetik atau putaran inti tidak memiliki orientasi yang pasti. Jika inti magnet dengan spin 1/2 ditempatkan dalam medan magnet, maka bagian dari spin nuklir akan terletak sejajar dengan garis medan magnet, bagian lainnya akan antiparalel. Kedua orientasi ini tidak lagi setara secara energetik dan putaran dikatakan terdistribusi pada dua tingkat energi.
Putaran dengan momen magnet berorientasi sepanjang medan +1/2 dilambangkan dengan simbol | α >, dengan orientasi antiparalel terhadap medan luar -1/2 - simbol | β > (Gbr. 1.2) .
Gambar 1.2 - Pembentukan tingkat energi ketika medan eksternal H 0 diterapkan.
1.2.1 Spektroskopi NMR pada inti 1 H Parameter spektrum PMR.
Untuk menginterpretasikan data spektrum 1H NMR dan menetapkan sinyal, karakteristik utama spektrum digunakan: pergeseran kimia, konstanta interaksi spin-spin, intensitas sinyal terintegrasi, dan lebar sinyal [57].
A) Pergeseran kimia (X.C). skala HS Pergeseran kimia adalah jarak antara sinyal ini dan sinyal zat referensi, dinyatakan dalam bagian per juta dari besarnya kekuatan medan eksternal.
Tetramethylsilane [TMS, Si(CH 3) 4 ] yang mengandung 12 proton tersaring kuat yang ekivalen secara struktural paling sering digunakan sebagai standar untuk mengukur pergeseran kimia proton.
B) Konstanta interaksi spin-spin. Pemisahan sinyal diamati dalam spektrum NMR resolusi tinggi. Pemisahan atau struktur halus dalam spektrum resolusi tinggi ini dihasilkan dari interaksi spin-spin antara inti magnetik. Fenomena ini, bersama dengan pergeseran kimia, merupakan sumber informasi terpenting tentang struktur molekul organik kompleks dan distribusi awan elektron di dalamnya. Itu tidak tergantung pada H 0 , tetapi tergantung pada struktur elektronik molekul. Sinyal inti magnet yang berinteraksi dengan inti magnet lain dibagi menjadi beberapa garis tergantung pada jumlah keadaan spin, mis. bergantung pada spin inti I.
Jarak antara garis-garis ini mencirikan energi ikatan spin-spin antara inti dan disebut konstanta kopling spin-spin n J, di mana n adalah jumlah ikatan yang memisahkan inti yang berinteraksi.
Ada konstanta langsung J HH , konstanta geminal 2 J HH , konstanta sekitar 3 J HH dan beberapa konstanta jauh 4 J HH , 5J HH.
- konstanta geminal 2 J HH dapat positif dan negatif dan menempati kisaran dari -30Hz hingga +40Hz.
Konstanta sekitar 3 J HH menempati kisaran 0–20 Hz; mereka hampir selalu positif. Telah ditetapkan bahwa interaksi lingkungan dalam sistem jenuh sangat bergantung pada sudut antara ikatan karbon-hidrogen, yaitu pada sudut dihedral - (Gbr. 1.3).
Gambar 1.3 - Sudut dihedral antara ikatan karbon-hidrogen.
Interaksi spin-spin jarak jauh (4 J HH , 5J HH ) - interaksi dua inti yang dipisahkan oleh empat atau lebih ikatan; konstanta interaksi tersebut biasanya dari 0 hingga +3 Hz.
Tabel 1.1 - Konstanta interaksi spin-spin
C) Intensitas sinyal integral. Area sinyal sebanding dengan jumlah inti magnet yang beresonansi pada kekuatan medan tertentu, sehingga rasio area sinyal memberikan jumlah relatif proton dari setiap variasi struktural dan disebut intensitas sinyal terintegrasi. Spektrometer modern menggunakan integrator khusus, yang bacaannya dicatat sebagai kurva, yang ketinggian langkahnya sebanding dengan luas sinyal yang sesuai.
D. Lebar garis. Untuk mengkarakterisasi lebar garis, biasanya mengukur lebar pada jarak setengah tinggi dari garis nol spektrum. Linewidth yang diamati secara eksperimental adalah jumlah dari linewidth alami, yang bergantung pada struktur dan mobilitas, dan pelebaran karena alasan instrumental
Lebar garis biasa di PMR adalah 0,1-0,3 Hz, tetapi dapat meningkat karena tumpang tindih transisi yang berdekatan, yang tidak sama persis, tetapi tidak diselesaikan sebagai garis terpisah. Perluasan dimungkinkan dengan adanya inti dengan spin lebih besar dari 1/2 dan pertukaran kimia.
1.2.2 Penerapan data 1 H NMR untuk membentuk struktur molekul organik.
Saat memecahkan sejumlah masalah analisis struktural, selain tabel nilai empiris, Kh.S. mungkin berguna untuk mengukur efek dari substituen tetangga pada C.C. oleh aturan aditif kontribusi penyaringan yang efektif. Dalam hal ini, substituen yang dikeluarkan dari proton yang diberikan oleh tidak lebih dari 2-3 ikatan biasanya diperhitungkan, dan perhitungan dilakukan sesuai dengan rumus:
=δ 0 +ε i *δ i (3)
di mana 0 adalah pergeseran kimia proton dari kelompok standar;
i adalah kontribusi penyaringan substituen.
1.3 Spektroskopi 13 C NMR Modus akuisisi dan perekaman spektrum.
Laporan pertama tentang pengamatan 13C NMR muncul pada tahun 1957, namun, transformasi spektroskopi 13C NMR menjadi metode penelitian analitik yang praktis digunakan jauh di kemudian hari.
Resonansi magnetik 13 C dan 1 H memiliki banyak kesamaan, tetapi ada juga perbedaan yang signifikan. Isotop karbon 12 C yang paling umum memiliki I=0. Isotop 13 C memiliki I = 1/2, tetapi kelimpahan alaminya adalah 1,1%. Ini sejalan dengan fakta bahwa rasio giromagnetik inti 13 C adalah 1/4 dari rasio giromagnetik untuk proton. Hal ini mengurangi sensitivitas metode dalam eksperimen pada pengamatan 13 C NMR sebesar 6000 kali dibandingkan dengan inti 1 H.
a) tanpa penekanan interaksi spin-spin dengan proton. Spektrum 13C NMR yang diperoleh tanpa adanya penekanan penuh dari resonansi spin-spin dengan proton disebut spektrum resolusi tinggi. Spektrum ini berisi informasi lengkap tentang konstanta 13 C-1 H. Dalam molekul yang relatif sederhana, kedua jenis konstanta - maju dan jauh - ditemukan cukup sederhana. Jadi 1 J (С-Н) adalah 125 - 250 Hz, namun interaksi spin-spin juga dapat terjadi dengan proton yang lebih jauh dengan konstanta kurang dari 20 Hz.
b) penekanan lengkap interaksi spin-spin dengan proton. Kemajuan besar pertama di bidang spektroskopi 13C NMR dikaitkan dengan penggunaan penekanan lengkap interaksi spin-spin dengan proton. Penggunaan penekanan lengkap interaksi spin-spin dengan proton mengarah pada penggabungan kelipatan dengan pembentukan garis singlet jika tidak ada inti magnet lain seperti 19 F dan 31 P dalam molekul.
c) penekanan yang tidak lengkap dari interaksi spin-spin dengan proton. Namun, penggunaan mode decoupling lengkap dari proton memiliki kekurangannya. Karena semua sinyal karbon sekarang dalam bentuk singlet, semua informasi tentang konstanta interaksi spin-spin 13C-1H hilang, sebagian dari manfaat konektivitas broadband. Dalam hal ini, spektrum akan menunjukkan pemisahan karena konstanta langsung dari interaksi spin-spin 13C-1H. Prosedur ini memungkinkan untuk mendeteksi sinyal dari atom karbon yang tidak terprotonasi, karena yang terakhir tidak memiliki proton yang terikat langsung ke 13C dan muncul dalam spektrum dengan pemisahan yang tidak lengkap dari proton sebagai singlet.
d) modulasi konstanta interaksi C-H, spektrum JMODCH. Masalah tradisional dalam spektroskopi 13C NMR adalah menentukan jumlah proton yang terkait dengan setiap atom karbon, yaitu, tingkat protonasi atom karbon. Penekanan parsial oleh proton memungkinkan untuk menyelesaikan sinyal karbon dari multiplisitas yang disebabkan oleh konstanta interaksi spin-spin jarak jauh dan memperoleh pemisahan sinyal karena SSCC 13C-1H langsung.Namun, dalam kasus sistem spin AB yang digabungkan kuat dan tumpang tindih kelipatan dalam mode OFFR, itu membuat resolusi sinyal yang tidak ambigu menjadi sulit.
Spektroskopi NMR mengacu pada metode analisis non-destruktif. Modern Spektroskopi Fourier NMR berdenyut memungkinkan analisis 80 magnitudo. inti. Spektroskopi NMR adalah salah satu fiz.-kimia. metode analisis, datanya digunakan untuk identifikasi yang jelas sebagai perantara. produk kimia. kabupaten, dan target in-in. Selain tugas struktural dan kuantitas. analisis, spektroskopi NMR membawa informasi tentang kesetimbangan konformasi, difusi atom dan molekul dalam padatan, ext. pergerakan, ikatan hidrogen dan asosiasi dalam cairan, tautomerisme keto-enol, metalo- dan prototropi, keteraturan dan distribusi tautan dalam rantai polimer, adsorpsi in-in, struktur elektronik kristal ionik, kristal cair, dll. Spektroskopi NMR adalah sumber informasi tentang struktur biopolimer , termasuk molekul protein dalam larutan, yang dapat diperbandingkan keandalannya dengan data analisis difraksi sinar-X. Pada tahun 80-an. memulai pengenalan cepat metode spektroskopi dan tomografi NMR dalam kedokteran untuk diagnosis penyakit kompleks dan dalam pemeriksaan medis profilaksis populasi.
Jumlah dan posisi garis dalam spektrum NMR jelas mencirikan semua fraksi minyak mentah, sintetis. karet, plastik, batu tulis, batu bara, obat-obatan, obat-obatan, produk kimia. dan farmasi. prom-sti, dll.
Intensitas dan lebar garis NMR air atau minyak memungkinkan untuk mengukur kadar air dan minyak biji, dan keamanan biji-bijian dengan akurasi tinggi. Saat melepaskan sinyal air, dimungkinkan untuk merekam kandungan gluten di setiap butir, yang, seperti analisis kandungan minyak, memungkinkan pemilihan produk pertanian yang dipercepat. budaya.
Penggunaan magnet yang semakin kuat bidang (hingga 14 T dalam perangkat serial dan hingga 19 T dalam perangkat eksperimental) memberikan kemampuan untuk sepenuhnya menentukan struktur molekul protein dalam larutan, analisis ekspres biol. cairan (konsentrasi metabolit endogen dalam darah, urin, getah bening, cairan serebrospinal), kontrol kualitas bahan polimer baru. Dalam hal ini, banyak varian spektroskopi Fourier multikuantum dan multidimensi digunakan. teknik.
Fenomena NMR ditemukan oleh F. Bloch dan E. Purcell (1946), di mana mereka dianugerahi Hadiah Nobel (1952).
Fenomena resonansi magnetik nuklir dapat digunakan tidak hanya dalam fisika dan kimia, tetapi juga dalam pengobatan: tubuh manusia adalah kombinasi dari semua molekul organik dan anorganik yang sama.
Untuk mengamati fenomena ini, sebuah objek ditempatkan dalam medan magnet konstan dan terkena frekuensi radio dan medan magnet gradien. Dalam induktor yang mengelilingi objek yang diteliti, gaya gerak listrik bolak-balik (EMF) muncul, spektrum frekuensi amplitudo yang dan karakteristik transisi waktu membawa informasi tentang kerapatan spasial inti atom yang beresonansi, serta tentang parameter lain yang hanya spesifik. untuk resonansi magnetik nuklir. Pemrosesan komputer dari informasi ini menghasilkan gambar tiga dimensi yang mencirikan kepadatan inti yang setara secara kimia, waktu relaksasi resonansi magnetik nuklir, distribusi laju aliran fluida, difusi molekul, dan proses biokimia metabolisme dalam jaringan hidup.
Inti dari introskopi NMR (atau pencitraan resonansi magnetik) sebenarnya terdiri dari penerapan jenis khusus analisis kuantitatif amplitudo sinyal resonansi magnetik nuklir. Dalam spektroskopi NMR konvensional, tujuannya adalah untuk mewujudkan resolusi terbaik dari garis spektral. Untuk melakukan ini, sistem magnetik disesuaikan sedemikian rupa untuk menciptakan keseragaman medan terbaik dalam sampel. Dalam metode introskopi NMR, sebaliknya, medan magnet yang dibuat jelas tidak homogen. Kemudian ada alasan untuk mengharapkan bahwa frekuensi resonansi magnetik nuklir di setiap titik sampel memiliki nilainya sendiri, berbeda dengan nilai di bagian lain. Dengan menentukan beberapa kode untuk gradasi amplitudo sinyal NMR (kecerahan atau warna pada layar monitor), seseorang dapat memperoleh gambar kondisional (tomogram) dari bagian-bagian struktur internal objek.
Introskopi NMR, tomografi NMR ditemukan pertama kali di dunia pada tahun 1960 oleh V. A. Ivanov. Aplikasi untuk penemuan (metode dan perangkat) ditolak oleh ahli yang tidak kompeten "... karena kesia-siaan nyata dari solusi yang diusulkan", oleh karena itu, sertifikat hak cipta untuk ini dikeluarkan hanya setelah lebih dari 10 tahun. Dengan demikian, secara resmi diakui bahwa penulis pencitraan NMR bukanlah tim peraih Nobel yang tercantum di bawah ini, tetapi seorang ilmuwan Rusia. Terlepas dari fakta hukum ini, Hadiah Nobel untuk pencitraan NMR sama sekali tidak diberikan kepada V. A. Ivanov.
Untuk studi spektrum yang akurat, perangkat sederhana seperti celah sempit yang membatasi berkas cahaya dan prisma tidak lagi cukup. Diperlukan instrumen yang memberikan spektrum yang jelas, yaitu instrumen yang memisahkan gelombang dengan panjang gelombang yang berbeda dengan baik dan tidak memungkinkan tumpang tindih bagian spektrum individu. Perangkat semacam itu disebut perangkat spektral. Paling sering, bagian utama dari peralatan spektral adalah prisma atau kisi difraksi.
RESONANSI PARAMAGNETIK ELEKTRONIK
Inti dari metode
Inti dari fenomena resonansi paramagnetik elektron terletak pada penyerapan resonansi radiasi elektromagnetik oleh elektron yang tidak berpasangan. Sebuah elektron memiliki spin dan momen magnetik yang terkait.
Jika kita menempatkan radikal bebas dengan momentum sudut yang dihasilkan J dalam medan magnet dengan kekuatan B 0 , maka untuk J berbeda dari nol, degenerasi dihilangkan di medan magnet, dan sebagai hasil interaksi dengan medan magnet, 2J + 1 tingkat muncul, posisinya dijelaskan oleh ekspresi: W =gβB 0 M, (di mana M = +J, +J-1, ...-J) dan ditentukan oleh interaksi Zeeman dari medan magnet dengan momen magnet J. Pemisahan tingkat energi elektron ditunjukkan pada gambar.
Tingkat energi dan transisi yang diizinkan untuk atom dengan putaran inti 1 dalam bidang konstan (A) dan variabel (B).
Jika sekarang medan elektromagnetik dengan frekuensi , terpolarisasi pada bidang yang tegak lurus terhadap vektor medan magnet B 0 , diterapkan pada pusat paramagnetik, maka itu akan menyebabkan transisi dipol magnetik yang mematuhi aturan pemilihan M = 1. Jika energi dari transisi elektronik bertepatan dengan energi gelombang fotoelektromagnetik, penyerapan resonansi radiasi gelombang mikro. Dengan demikian, kondisi resonansi ditentukan oleh hubungan fundamental resonansi magnetik
Penyerapan energi medan gelombang mikro diamati jika ada perbedaan populasi antar level.
Pada kesetimbangan termal, ada perbedaan kecil dalam populasi tingkat Zeeman, ditentukan oleh distribusi Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). Dalam sistem seperti itu, pada eksitasi transisi, kesetaraan populasi sublevel energi harus sangat cepat terjadi dan penyerapan medan gelombang mikro akan hilang. Namun, pada kenyataannya ada banyak mekanisme interaksi yang berbeda, sebagai akibatnya elektron secara nonradiatif masuk ke keadaan semula. Pengaruh invariabilitas intensitas serapan dengan bertambahnya daya timbul karena elektron tidak mempunyai waktu untuk berelaksasi, dan disebut saturasi. Saturasi muncul pada radiasi gelombang mikro berkekuatan tinggi dan dapat secara signifikan mendistorsi hasil pengukuran konsentrasi pusat dengan metode EPR.
Nilai metode
Metode EPR memberikan informasi unik tentang pusat paramagnetik. Ini jelas membedakan ion pengotor yang secara isomorfis termasuk dalam kisi dari inklusi mikro. Dalam hal ini, informasi lengkap tentang ion tertentu dalam kristal diperoleh: valensi, koordinasi, simetri lokal, hibridisasi elektron, berapa banyak dan dalam posisi struktural elektron apa yang termasuk, orientasi sumbu bidang kristal di lokasi ion ini, karakteristik lengkap dari bidang kristal dan informasi rinci tentang ikatan kimia. Dan, yang sangat penting, metode ini memungkinkan untuk menentukan konsentrasi pusat paramagnetik di daerah kristal dengan struktur yang berbeda.
Tetapi spektrum EPR tidak hanya merupakan karakteristik ion dalam kristal, tetapi juga kristal itu sendiri, fitur distribusi kerapatan elektron, medan kristal, kovalensi ion dalam kristal, dan akhirnya, hanya karakteristik diagnostik dari suatu mineral, karena setiap ion di setiap mineral memiliki parameter uniknya sendiri. Dalam hal ini, pusat paramagnetik adalah sejenis probe yang memberikan karakteristik spektroskopi dan struktural dari lingkungan mikronya.
Properti ini digunakan dalam apa yang disebut. metode label putaran dan probe berdasarkan pengenalan pusat paramagnetik yang stabil ke dalam sistem yang sedang dipelajari. Sebagai pusat paramagnetik, sebagai aturan, radikal nitrooksida digunakan, yang dicirikan oleh anisotropik g dan SEBUAH tensor.