Spektroskopi resonansi magnetik nuklir, spektroskopi NMR- metode spektroskopi untuk mempelajari objek kimia, menggunakan fenomena resonansi magnetik nuklir. Fenomena NMR ditemukan pada tahun 1946 oleh fisikawan Amerika F. Bloch dan E. Purcell. Yang paling penting untuk aplikasi kimia dan praktis adalah spektroskopi resonansi magnetik proton (spektroskopi PMR), serta spektroskopi karbon-13 NMR (spektroskopi 13 C NMR), fluor-19 (spektroskopi 19 F NMR), fosfor-31 ( NMR 31 P). spektroskopi) Jika suatu unsur memiliki nomor atom ganjil atau isotop dari setiap unsur (genap) memiliki nomor massa ganjil, inti unsur tersebut memiliki spin selain nol. Dari keadaan tereksitasi ke keadaan normal, inti dapat kembali, mentransfer energi eksitasi ke lingkungan - "kisi", yang dalam hal ini berarti elektron atau atom dari jenis yang berbeda dari yang sedang dipelajari. Mekanisme transfer energi ini disebut relaksasi spin-lattice, dan efisiensinya dapat dicirikan oleh T1 konstan, yang disebut waktu relaksasi spin-lattice.
Fitur-fitur ini membuat spektroskopi NMR menjadi alat yang nyaman baik dalam kimia organik teoretis maupun dalam analisis objek biologis.
Teknik dasar NMR
Sampel zat untuk NMR ditempatkan dalam tabung kaca berdinding tipis (ampul). Ketika ditempatkan dalam medan magnet, inti aktif NMR (seperti 1 H atau 13 C) menyerap energi elektromagnetik. Frekuensi resonansi, energi penyerapan dan intensitas sinyal yang dipancarkan sebanding dengan kekuatan medan magnet. Jadi, di bidang 21 Tesla, sebuah proton beresonansi pada frekuensi 900 MHz.
pergeseran kimia
Tergantung pada lingkungan elektronik lokal, proton yang berbeda dalam molekul beresonansi pada frekuensi yang sedikit berbeda. Karena pergeseran frekuensi dan frekuensi resonansi fundamental berbanding lurus dengan besarnya induksi medan magnet, pergeseran ini diubah menjadi kuantitas tak berdimensi yang tidak bergantung pada medan magnet, yang dikenal sebagai pergeseran kimia. Pergeseran kimia didefinisikan sebagai perubahan relatif terhadap beberapa sampel referensi. Pergeseran frekuensi sangat kecil dibandingkan dengan frekuensi NMR utama. Pergeseran frekuensi tipikal adalah 100 Hz, sedangkan frekuensi NMR dasar berada di urutan 100 MHz. Dengan demikian, pergeseran kimia sering dinyatakan dalam bagian per juta (ppm). Untuk mendeteksi perbedaan frekuensi yang begitu kecil, medan magnet yang diterapkan harus konstan dalam volume sampel.
Karena pergeseran kimia bergantung pada struktur kimia zat, maka digunakan untuk memperoleh informasi struktural tentang molekul dalam sampel. Misalnya, spektrum etanol (CH 3 CH 2 OH) memberikan 3 sinyal yang berbeda, yaitu, 3 pergeseran kimia: satu untuk gugus CH 3, yang kedua untuk gugus CH 2 dan yang terakhir untuk OH. Pergeseran khas untuk gugus CH3 adalah sekitar 1 ppm, untuk gugus CH2 yang terikat pada OH adalah 4 ppm dan OH sekitar 2-3 ppm.
Karena gerakan molekuler pada suhu kamar, sinyal dari 3 proton metil rata-rata keluar selama proses NMR, yang berlangsung hanya beberapa milidetik. Proton-proton ini berdegenerasi dan membentuk puncak pada pergeseran kimia yang sama. Perangkat lunak ini memungkinkan Anda untuk menganalisis ukuran puncak untuk memahami berapa banyak proton yang berkontribusi pada puncak ini.
Interaksi spin-spin
Informasi yang paling berguna untuk menentukan struktur dalam spektrum NMR satu dimensi disediakan oleh apa yang disebut interaksi spin-spin antara inti NMR aktif. Interaksi ini dihasilkan dari transisi antara keadaan spin nuklir yang berbeda dalam molekul kimia, menghasilkan pemisahan sinyal NMR. Pemisahan ini bisa sederhana atau kompleks dan, sebagai hasilnya, mudah untuk ditafsirkan atau dapat membingungkan pelaku eksperimen.
Pengikatan ini memberikan informasi rinci tentang ikatan atom dalam molekul.
Interaksi orde kedua (kuat)
Interaksi spin-spin sederhana mengasumsikan bahwa konstanta kopling kecil dibandingkan dengan perbedaan pergeseran kimia antara sinyal. Jika perbedaan pergeseran berkurang (atau konstanta kopling meningkat), intensitas kelipatan sampel menjadi terdistorsi, menjadi lebih sulit untuk dianalisis (terutama jika sistem berisi lebih dari 2 putaran). Namun, dalam spektrometer NMR daya tinggi, distorsi biasanya moderat, dan ini memudahkan interpretasi puncak terkait.
Efek orde kedua berkurang dengan meningkatnya perbedaan frekuensi antara multiplet, sehingga spektrum NMR frekuensi tinggi menunjukkan lebih sedikit distorsi daripada spektrum frekuensi rendah.
Penerapan spektroskopi NMR untuk mempelajari protein
Sebagian besar inovasi terbaru dalam spektroskopi NMR dibuat dalam apa yang disebut spektroskopi protein NMR, yang menjadi teknik yang sangat penting dalam biologi dan kedokteran modern. Tujuan umum adalah untuk mendapatkan resolusi tinggi struktur 3-dimensi protein, mirip dengan gambar yang diperoleh dalam kristalografi sinar-X. Karena adanya lebih banyak atom dalam molekul protein dibandingkan dengan senyawa organik sederhana, spektrum 1 H yang mendasari dipenuhi dengan sinyal yang tumpang tindih, membuat analisis spektrum langsung menjadi tidak mungkin. Oleh karena itu, teknik multidimensi telah dikembangkan untuk memecahkan masalah ini.
Untuk meningkatkan hasil percobaan ini, digunakan metode atom berlabel menggunakan 13 C atau 15 N. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk memperoleh spektrum 3D sampel protein, yang telah menjadi terobosan dalam farmasi modern. Baru-baru ini, teknik (memiliki kelebihan dan kekurangan) untuk memperoleh spektrum 4D dan spektrum dimensi yang lebih tinggi, berdasarkan metode pengambilan sampel nonlinier dengan pemulihan selanjutnya dari sinyal peluruhan induksi bebas menggunakan teknik matematika khusus, telah tersebar luas.
Analisis kuantitatif dengan NMR
Dalam analisis kuantitatif larutan, luas puncak dapat digunakan sebagai ukuran konsentrasi dalam metode kurva kalibrasi atau metode penambahan. Metode juga dikenal di mana grafik bertingkat mencerminkan ketergantungan konsentrasi dari pergeseran kimia. Penggunaan metode NMR dalam analisis anorganik didasarkan pada kenyataan bahwa dengan adanya zat paramagnetik, waktu relaksasi nuklir dipercepat. Pengukuran laju relaksasi dapat dilakukan dengan beberapa metode, yang dapat diandalkan dan serbaguna, misalnya metode NMR versi impulsif, atau biasa disebut metode spin echo. Dalam pengukuran menggunakan metode ini, pulsa frekuensi radio jangka pendek diterapkan pada sampel yang diteliti dalam medan magnet pada interval waktu tertentu di wilayah penyerapan resonansi. Sinyal spin echo muncul di koil penerima, dengan amplitudo maksimum yang terkait dengan waktu relaksasi dengan hubungan sederhana. Tidak perlu menemukan nilai absolut dari tingkat relaksasi untuk melakukan penentuan analitik biasa. Dalam kasus ini, seseorang dapat membatasi diri untuk mengukur beberapa kuantitas yang sebanding dengannya, misalnya, amplitudo sinyal penyerapan resonansi. Pengukuran amplitudo dapat dilakukan dengan peralatan yang sederhana dan lebih terjangkau. Keuntungan penting dari metode NMR adalah berbagai nilai parameter yang diukur. Dengan menggunakan pengaturan spin echo, Anda dapat menentukan waktu relaksasi dari 0,00001 hingga 100 detik. dengan kesalahan 3...5%. Hal ini memungkinkan Anda untuk menentukan konsentrasi larutan dalam rentang yang sangat luas dari 1 ... 2 hingga 0,000001 ... 0000001 mol / l Teknik analisis yang paling umum digunakan adalah metode kurva kalibrasi.
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 lengkap 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.
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.
Intisari dari fenomena NMR dapat digambarkan sebagai berikut. Jika sebuah inti dengan momen magnet ditempatkan dalam medan seragam 0 yang diarahkan sepanjang sumbu z, maka energinya (terhadap energi tanpa adanya medan) sama dengan -mzH0, di mana mz adalah proyeksi inti momen magnet ke arah medan.
Seperti yang telah dicatat, nukleus dapat berada dalam keadaan 2I + 1. Dengan tidak adanya medan eksternal 0, semua keadaan ini memiliki energi yang sama. Jika kita menyatakan nilai terukur terbesar dari komponen momen magnetik dengan m, maka semua nilai terukur dari komponen momen magnetik (dalam hal ini, mz) dinyatakan sebagai mm, di mana m adalah bilangan kuantum, yang, seperti diketahui , dapat mengambil nilai
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
Karena jarak antara tingkat energi yang sesuai dengan masing-masing keadaan 2I + 1 sama dengan mH0 / I, maka inti dengan putaran I memiliki tingkat energi diskrit:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Pemisahan tingkat energi dalam medan magnet dapat disebut pembelahan Zeeman nuklir, karena mirip dengan pemisahan tingkat elektronik dalam medan magnet (efek Zeeman). Pemisahan Zeeman untuk sistem dengan I = 1 (dengan tiga tingkat energi).
Fenomena NMR terdiri dari penyerapan resonansi energi elektromagnetik karena magnet inti. Ini menyiratkan nama yang jelas dari fenomena tersebut: nuklir - kita berbicara tentang sistem inti, magnet - yang kami maksud hanya sifat magnetiknya, resonansi - fenomena itu sendiri bersifat resonan. Memang, mengikuti aturan frekuensi Bohr bahwa frekuensi n medan elektromagnetik yang menyebabkan transisi antara tingkat yang berdekatan ditentukan oleh rumus:
hν=μH0/I, atau =μH0/hI.
Karena vektor momentum sudut (momentum sudut) dan momentum magnetik adalah paralel, seringkali lebih mudah untuk mengkarakterisasi sifat magnetik inti dengan nilai g yang ditentukan oleh hubungan
di mana adalah rasio gyromagnetic yang memiliki dimensi radian*oersted-1*second-1 (rad*Oe-1*s-1). Dengan mengingat hal ini, kami menemukan
=γ0/2π. (3.2)
Dengan demikian, frekuensi sebanding dengan medan yang diterapkan.
Jika, sebagai contoh tipikal, kita mengambil nilai $\gamma$ untuk sebuah proton yang sama dengan 2,6753*104 rad/(E*s) dan H0 = 10000 Oe, maka frekuensi resonansi
= 42,577 (MHz)
Frekuensi seperti itu dapat dihasilkan dengan teknik radio konvensional.
Spektroskopi NMR dicirikan oleh sejumlah fitur yang membedakannya dari metode analisis lainnya. Sekitar setengah ($\sim$150) dari inti isotop yang diketahui memiliki momen magnetik, tetapi hanya sebagian kecil yang digunakan secara sistematis.
Sebelum munculnya spektrometer berdenyut, sebagian besar penelitian dilakukan dengan menggunakan fenomena NMR pada inti hidrogen (proton) 1H (resonansi magnetik proton - PMR) dan fluor 19F. Inti ini memiliki sifat ideal untuk spektroskopi NMR:
kandungan alami yang tinggi dari isotop "magnetik" (1H 99,98%, 19F 100%); sebagai perbandingan, dapat disebutkan bahwa kandungan alami isotop karbon "magnetik" 13C adalah 1,1%; momen magnet besar; putaran I = 1/2.
Ini menentukan, pertama-tama, sensitivitas tinggi metode dalam mendeteksi sinyal dari inti yang disebutkan di atas. Selain itu, ada aturan yang didukung secara teoretis yang menyatakan bahwa hanya inti dengan spin yang sama atau lebih besar dari satu yang memiliki momen kuadrupol listrik. Akibatnya, eksperimen 1H dan 19F NMR tidak rumit oleh interaksi momen kuadrupol inti inti dengan lingkungan listrik.
Pengenalan spektrometer NMR berdenyut ke dalam praktik sehari-hari telah secara signifikan memperluas kemungkinan eksperimental jenis spektroskopi ini. Secara khusus, perekaman spektrum 13C NMR larutan - isotop paling penting untuk kimia - sekarang sebenarnya merupakan prosedur yang sudah dikenal. Deteksi sinyal dari inti, yang intensitas sinyal NMR berkali-kali lebih rendah daripada intensitas sinyal dari 1H, termasuk dalam fase padat, juga menjadi fenomena umum.
Spektrum NMR resolusi tinggi biasanya terdiri dari garis-garis (sinyal) yang sempit dan terselesaikan dengan baik yang sesuai dengan inti magnetik di berbagai lingkungan kimia. Intensitas (area) sinyal selama perekaman spektrum sebanding dengan jumlah inti magnetik di setiap kelompok, yang memungkinkan untuk melakukan analisis kuantitatif menggunakan spektrum NMR tanpa kalibrasi awal.
Fitur lain dari NMR adalah efek dari proses pertukaran yang melibatkan inti beresonansi pada posisi dan lebar sinyal resonansi. Dengan demikian, spektrum NMR dapat digunakan untuk mempelajari sifat proses tersebut. Garis NMR dalam spektrum cair biasanya memiliki lebar 0,1 - 1 Hz (NMR resolusi tinggi), sedangkan inti yang sama diperiksa dalam fase padat akan menimbulkan garis dengan lebar orde 1 * 104 Hz (oleh karena itu konsep garis lebar NMR).
Dalam spektroskopi NMR resolusi tinggi, ada dua sumber informasi utama tentang struktur dan dinamika molekul:
pergeseran kimia; konstanta interaksi spin-spin.
Dalam kondisi nyata, inti resonansi yang sinyal NMR-nya terdeteksi adalah penyusun atom atau molekul. Ketika zat yang dipelajari ditempatkan dalam medan magnet (0), momen diamagnetik atom (molekul) muncul karena gerakan orbital elektron. Pergerakan elektron ini membentuk arus efektif dan, oleh karena itu, menciptakan medan magnet sekunder yang sebanding dengan medan 0 sesuai dengan hukum Lenz dan berlawanan arah. Medan sekunder ini bekerja pada nukleus. Jadi, medan lokal di tempat inti beresonansi, loc=0 (3.3)
di mana adalah konstanta tak berdimensi yang disebut konstanta penyaringan dan tidak bergantung pada 0, tetapi sangat bergantung pada lingkungan kimia (elektronik); itu mencirikan penurunan lok dibandingkan dengan 0 .
Nilai $\sigma$ bervariasi dari nilai orde 10-5 untuk proton hingga nilai orde 10-2 untuk inti berat. Dengan mempertimbangkan ekspresi untuk lok, kita mendapatkan: =γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Efek penyaringan adalah untuk mengurangi jarak antara tingkat energi magnet nuklir, atau, dengan kata lain, mengarah ke konvergensi tingkat Zeeman. Dalam hal ini, kuanta energi yang menyebabkan transisi antar level menjadi lebih kecil dan, akibatnya, resonansi terjadi pada frekuensi yang lebih rendah (lihat ekspresi (3.4)). Jika percobaan dilakukan dengan mengubah medan 0 sampai terjadi resonansi, maka kekuatan medan yang diterapkan harus memiliki nilai yang besar dibandingkan dengan kasus ketika inti tidak terlindung.
Pengaruh perisai elektronik pada tingkat inti Zeeman: a - tidak berpelindung, b - terlindung
Di sebagian besar spektrometer NMR, spektrum direkam ketika medan berubah dari kiri ke kanan, sehingga sinyal (puncak) dari inti yang paling terlindung harus berada di bagian kanan spektrum.
Pergeseran sinyal tergantung pada lingkungan kimia, karena perbedaan konstanta penyaringan, disebut pergeseran kimia.
Untuk pertama kalinya, pesan tentang penemuan pergeseran kimia muncul di beberapa publikasi pada 1950-1951. Di antara mereka, perlu untuk memilih karya Arnold, yang memperoleh spektrum pertama dengan garis-garis terpisah yang sesuai dengan posisi kimia yang berbeda dari inti 1H identik dalam satu molekul.
Ada tiga jenis proton dalam molekul ini: tiga proton dari gugus metil CH3-, dua proton dari gugus metilen -CH2- dan satu proton dari gugus hidroksil -OH. Dapat dilihat bahwa tiga sinyal terpisah sesuai dengan tiga jenis proton. Karena intensitas sinyal dalam rasio 3: 2: 1, decoding spektrum (penugasan sinyal) tidak sulit.
Karena pergeseran kimia tidak dapat diukur pada skala absolut, yaitu, relatif terhadap inti tanpa semua elektronnya, sinyal senyawa referensi digunakan sebagai nol bersyarat. Biasanya, nilai pergeseran kimia untuk setiap inti diberikan sebagai parameter tak berdimensi yang didefinisikan sebagai berikut:
=(H−Het)/Het*106, (3.6)
di mana (H - Nat) adalah perbedaan antara pergeseran kimia untuk sampel uji dan referensi, Nat adalah posisi absolut dari sinyal referensi dengan medan yang diterapkan (H0) .
Dalam kondisi eksperimental nyata, frekuensi dapat diukur lebih akurat daripada di lapangan, jadi $\delta$ biasanya ditemukan dari ekspresi:
=(ν−νet)/ν0*106, (3.7)
di mana (ν – et) adalah perbedaan antara pergeseran kimia untuk sampel dan standar, yang dinyatakan dalam satuan frekuensi (Hz); Spektrum NMR biasanya dikalibrasi dalam satuan ini.
Anda tidak boleh menggunakan 0 - frekuensi kerja spektrometer (biasanya tetap), tetapi frekuensi et, yaitu frekuensi absolut di mana sinyal resonansi standar diamati. Namun, kesalahan yang ditimbulkan oleh penggantian semacam itu sangat kecil, karena 0 dan et hampir sama (perbedaannya adalah 10-5, yaitu dengan nilai untuk sebuah proton). Karena spektrometer NMR yang berbeda beroperasi pada frekuensi yang berbeda 0 (dan, akibatnya, pada bidang yang berbeda H0), jelas bahwa harus dinyatakan dalam satuan tak berdimensi.
Satuan pergeseran kimia adalah sepersejuta kekuatan medan atau frekuensi resonansi. Interaksi spin-spin.
Pada tahun 1951-1953, ketika merekam spektrum NMR dari sejumlah cairan, ditemukan bahwa ada lebih banyak garis dalam spektrum beberapa zat daripada yang mengikuti perkiraan sederhana dari jumlah inti yang tidak setara. Salah satu contoh pertama adalah resonansi pada fluor dalam molekul POCl2F. Spektrum 19F terdiri dari dua garis dengan intensitas yang sama, meskipun hanya ada satu atom fluor dalam molekulnya. Molekul senyawa lain memberikan sinyal multiplet simetris (kembar tiga, kuartet, dll).
Interaksi ini terjadi karena adanya mekanisme komunikasi tidak langsung melalui lingkungan elektronik. Putaran inti cenderung mengarahkan putaran elektron yang mengelilingi inti yang diberikan. Mereka, pada gilirannya, mengarahkan putaran elektron lain dan melalui mereka - putaran inti lainnya. Energi interaksi spin-spin biasanya dinyatakan dalam hertz (yaitu, konstanta Planck diambil sebagai satuan energi, berdasarkan fakta bahwa E=hν). Jelas bahwa tidak perlu (tidak seperti pergeseran kimia) untuk menyatakannya dalam satuan relatif, karena interaksi yang dibahas, seperti disebutkan di atas, tidak bergantung pada kekuatan medan eksternal. Besarnya interaksi dapat ditentukan dengan mengukur jarak antara komponen kelipatan yang bersesuaian.
Contoh paling sederhana dari pemisahan akibat kopling spin-spin yang dapat ditemui adalah spektrum resonansi molekul yang mengandung dua jenis inti magnet A dan X. Inti A dan X dapat berupa inti yang berbeda atau inti dari isotop yang sama (untuk contoh, 1H ) ketika pergeseran kimia antara sinyal resonansinya besar.
Metode spin echo.
Dalam percobaan, ketika medan frekuensi tinggi 1 bekerja terus menerus pada sampel dalam medan magnet seragam 0, keadaan stasioner tercapai, di mana dua kecenderungan yang berlawanan saling dikompensasi. Di satu sisi, di bawah aksi medan frekuensi tinggi 1, jumlah pendudukan level Zeeman cenderung menyamakan, yang mengarah pada demagnetisasi sistem, dan di sisi lain, gerakan termal mencegah hal ini dan mengembalikan distribusi Boltzmann .
Proses goyah yang sama sekali berbeda diamati ketika medan frekuensi tinggi 1 dihidupkan untuk waktu yang singkat. Implementasi praktis dari eksperimen semacam ini dimungkinkan, karena parameter waktu karakteristik peralatan elektronik kecil dibandingkan dengan waktu peluruhan dari presesi Larmor T2.
Untuk pertama kalinya, reaksi suatu sistem terhadap pulsa dari medan frekuensi tinggi diamati oleh Khan pada tahun 1950, setelah menemukan fenomena - spin echo. Penemuan ini menandai awal dari pengembangan teknik NMR berdenyut.
Aksi medan 1, berputar pada frekuensi resonansi, direduksi menjadi penyimpangan magnetisasi dari arah kesetimbangan awal yang sejajar dengan medan 0. Jika medan dihidupkan hanya untuk waktu yang singkat, dan kemudian dimatikan lagi, maka sudut deviasi vektor magnetisasi tergantung pada durasi pulsa. Setelah medan 1 dihidupkan, vektor magnetisasi akan berpresisi di sekitar medan 0 sampai komponen-komponennya yang tegak lurus medan 0 hilang, baik karena relaksasi atau karena sebab lain. Sinyal induktif yang diamati setelah mematikan medan frekuensi tinggi 1 adalah redaman dari presesi bebas, pertama kali dipertimbangkan oleh Bloch.
Jika kekuatan medan 1 tinggi dan durasi pulsa tw sangat pendek sehingga proses relaksasi dapat diabaikan selama pulsa, maka aksi medan 1 akan dikurangi menjadi rotasi vektor magnetisasi dengan sudut g1tw (g1 adalah kecepatan sudut di mana medan 1 menyimpang vektor dari sumbu z). Jika nilai 1 dan tw dipilih sedemikian rupa sehingga g1tw=1/2p, (3.8) maka vektor setelah rotasi akan berada pada bidang xy. Pulsa semacam itu disebut pulsa belokan 900 (atau pulsa ke-900). Pulsa yang g1tw=p disebut pulsa putaran 1800 (pulsa ke-1800).
Aksi pulsa terakhir pada vektor magnetisasi menyebabkan perubahan arah awalnya ke arah sebaliknya. Pengaruh pulsa ke-900 dapat dipahami lebih baik dengan mempertimbangkannya dalam sistem koordinat yang berputar dengan kecepatan sudut yang sama dengan frekuensi medan 1. Jika durasi pulsa pendek, sehingga hasil akhirnya sedikit bergantung pada besarnya penyimpangan frekuensi medan 1 dari nilai resonansi, maka dalam sistem koordinat seperti itu, vektor magnetisasi M segera setelah akhir aksi pulsa akan diarahkan sepanjang sumbu v.
Jika medan konstan 0 benar-benar seragam, maka perilaku vektor magnetisasi setelah akhir pulsa hanya ditentukan oleh proses relaksasi. Oleh karena itu, komponen vektor magnetisasi yang terletak pada bidang yang tegak lurus bidang 0 akan berputar pada arah ini dengan frekuensi Larmor, sedangkan amplitudonya akan cenderung nol sesuai dengan hukum exp(-t/T2).
Dalam kasus ketika ketidakhomogenan medan magnet H0 tidak dapat diabaikan, atenuasi terjadi lebih cepat. Fenomena ini dapat divisualisasikan dengan menggunakan serangkaian diagram yang menunjukkan posisi vektor pada
magnetisasi di berbagai bagian sampel pada saat-saat tertentu dari proses redaman. Mari kita asumsikan bahwa sampel dibagi menjadi beberapa daerah, dan dalam setiap daerah medan magnetnya seragam, dan magnetisasi dicirikan oleh vektornya sendiri i. Kehadiran inhomogenitas medan magnet 0 akan mengarah pada fakta bahwa alih-alih presesi vektor magnetisasi yang dihasilkan dengan frekuensi Larmor tertentu w0, akan ada presesi satu set vektor magnetisasi dengan frekuensi yang didistribusikan menurut hukum tertentu.
Mari kita perhatikan gerakan vektor-vektor ini dalam sistem koordinat yang berputar dengan kecepatan sudut yang sama dengan kecepatan rata-rata dari presesi Larmor yang sesuai dengan beberapa nilai rata-rata medan H0. Vektor i disebut spin isokromat.
Namun, karena fakta bahwa mereka memiliki tingkat presesi yang berbeda, karena berada di daerah pola dengan nilai medan yang berbeda 0, maka beberapa di antaranya akan berputar lebih cepat dan beberapa akan berputar lebih lambat dari sistem koordinat. Oleh karena itu, dalam sistem koordinat yang berputar dengan kecepatan sudut rata-rata tertentu, isokromat spin akan menyebar menjadi "kipas". Karena kumparan penerima dari sistem induksi hanya menanggapi jumlah vektor momen-momen ini, kemudian atenuasi sinyal diamati.
Hahn menemukan bahwa dampak pada sistem pulsa kedua setelah interval waktu setelah yang pertama mengarah pada munculnya sinyal gema setelah interval waktu yang sama 2τ. Sinyal gema diamati bahkan ketika sinyal presesi bebas benar-benar dilemahkan dalam 2τ.
1. Awalnya, sistem berada dalam kesetimbangan termal, dan semua vektor magnetisasi sejajar dengan medan konstan 0.
2. Di bawah pengaruh medan frekuensi tinggi yang diarahkan sepanjang sumbu x΄ dari sistem koordinat yang berputar, vektor magnetisasi selama pulsa pertama menyimpang dari arah sumbu z ke arah sumbu y.
3. Setelah akhir pulsa ke-900, semua vektor magnetisasi terletak di bidang ekuator dalam arah sumbu y (produk vektor adalah vektor yang tegak lurus dalam hal ini terhadap bidang z΄x΄). Jika durasi pulsa tω cukup kecil, maka tidak ada relaksasi atau hamburan vektor magnetisasi menjadi "kipas", yang terkait dengan ketidakhomogenan medan 0, yang akan diamati.
4. Segera setelah menyalakan medan frekuensi tinggi H1, presesi bebas meluruh, yang menyebabkan hamburan isokromat spin menjadi "kipas" yang terletak di bidang x΄y΄.
5. Setelah selang waktu , pulsa ke 1800 dengan durasi 2tω bekerja pada sistem. Akibat impuls ini, seluruh sistem vektor i berotasi 1800 mengelilingi sumbu x΄.
6. Pada akhir pulsa kedua, masing-masing vektor magnetisasi dalam sistem koordinat berputar terus bergerak ke arah yang sama. Namun, sekarang, setelah berputar pada tahun 1800, gerakan ini tidak mengarah pada penghamburan, tetapi pada pelipatan 'kipas' vektor.
7. Setelah selang waktu 2τ setelah dimulainya pulsa pertama, semua vektor magnetisasi yang terletak di bidang x΄y akan memiliki arah yang sama dan akan menciptakan momen magnet yang dihasilkan kuat dalam arah negatif sumbu y. Hal ini menyebabkan pickup di kumparan penerima sinyal yang disebut gema.
8. Setelah munculnya sinyal gema, vektor magnetisasi kembali menyebar menjadi "kipas", dan redaman biasa dari presesi bebas diamati. Peluruhan sinyal gema (mulai dari waktu 2τ) bertepatan dalam bentuk dengan peluruhan sinyal induksi bebas setelah pulsa ke-900 pertama. Segera setelah pulsa ke 1800, tidak ada sinyal induksi bebas yang terjadi.
Bentuk sinyal gema, serta bentuk sinyal redaman presesi bebas, tergantung pada hukum waktu, yang mematuhi penyebaran vektor magnetisasi menjadi "kipas". Jika medan magnet tidak seragam, maka koherensi hilang dengan cepat dan gema akan menyempit; lebarnya orde (γΔΗ0)-1. Dengan demikian, mekanisme spin echo menghilangkan efek yang tidak diinginkan dari ketidakhomogenan medan magnet stasioner.
Jika molekul tetap berada dalam waktu yang lama di bagian sampel yang sama, maka amplitudo sinyal gema hanya ditentukan oleh proses relaksasi dan, oleh karena itu, sebanding dengan exp(-2τ/T2). Namun, dalam cairan dan gas, proses difusi tidak selalu dapat diabaikan. Oleh karena itu, karena pergerakan molekul dalam medan magnet yang tidak homogen, laju dispersi menjadi "kipas" dari beberapa vektor magnetisasi berubah.
Akibatnya, ada beberapa kehilangan koherensi tambahan. Dalam hal ini, amplitudo sinyal gema ternyata bergantung pada sebagai berikut:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3.9)
Untuk gema yang diterima untuk urutan 900 dan 1800 pulsa
k=1/4γ2GD , (3.10)
di mana D adalah konstanta difusi;
G adalah nilai rata-rata gradien medan magnet (dH0/dt)av.
Jika kondisi terpenuhi
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
maka peran utama dalam redaman sinyal spin echo akan dimainkan oleh proses difusi daripada proses relaksasi. Fenomena serupa juga diamati untuk pulsa lainnya, dan tidak hanya untuk rangkaian pulsa 900 dan 1800. Jika urutan pulsa ke-900 diterapkan, maka setelah pulsa kedua ada sinyal peluruhan dari presesi bebas, yang tidak ada ketika urutan pulsa ke-900 dan 1800 diterapkan. Ini karena setelah waktu , karena aksi mekanisme relaksasi spin-lattice, momen magnet yang diarahkan sepanjang sumbu z dipulihkan sebagian. Proses ini dapat dicirikan oleh fungsi:
f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)
Akibatnya, dampak pulsa ke-900 kedua mengarah ke sinyal peluruhan presesi bebas, yang amplitudonya f kali lebih kecil dari amplitudo sinyal pertama. Dalam kasus ketika pulsa kedua adalah pulsa ke 1800, momen magnet pemulih ini akan diarahkan ke arah negatif dari sumbu z dan, oleh karena itu, proyeksinya pada bidang xy adalah nol.
Eksperimen spin echo dapat dilakukan dengan sejumlah besar pulsa. Ada metode perhitungan umum. Cocok untuk setiap kereta pulsa.
Jika sampel mengandung inti dengan frekuensi resonansi yang berbeda dan interaksi spin-spin terjadi di antara mereka, maka pola spin echo menjadi lebih rumit. Dalam hal ini, ketergantungan redaman amplitudo sinyal spin echo pada interval antara pulsa tidak mematuhi hukum (3.9), tetapi juga mengandung beberapa istilah yang berosilasi dalam waktu. Sekarang mari kita membahas bagaimana mungkin untuk mengontrol fase tegangan bolak-balik dari pulsa kedua sehingga dalam sistem koordinat berputar medan 1 diarahkan lagi sepanjang sumbu +x΄, seperti dalam kasus pulsa pertama. Faktanya adalah bahwa dalam apa yang disebut peralatan koheren, generator frekuensi yang sangat stabil menghasilkan tegangan bolak-balik stasioner, yang memasuki penguat daya melalui rangkaian kunci.
Sirkuit kunci melewati sinyal RF (bidang 1) dan diperkuat hanya selama periode waktu ketika sirkuit ini dibuka oleh pulsa strobo. Dengan demikian, pulsa RF yang kuat pada output penguat bertepatan dengan pulsa gerbang. Tegangan keluaran penguat diterapkan ke kumparan sampel, di mana medan RF dibuat 1. Jika frekuensi generator disetel halus ke resonansi, mis. =ω0, maka fase medan ini selalu sama dalam sistem koordinat yang berotasi dengan frekuensi 0.
spektrometer NMR.
Spektrometer NMR harus mengandung unsur-unsur utama berikut:
1) magnet yang menciptakan medan magnet 0 yang mempolarisasi sistem spin nuklir;
2) pemancar yang menciptakan medan probing 1;
3) sensor di mana, di bawah pengaruh 0 dan 1, sinyal NMR muncul dalam sampel;
4) penerima yang memperkuat sinyal ini;
5) sistem perekaman (perekam, perekam magnetik, osiloskop, dll.);
6) perangkat pemrosesan informasi (integrator, akumulator spektrum multisaluran);
7) sistem untuk menstabilkan kondisi resonansi;
8) sistem kontrol suhu sampel;
9) pemancar yang menciptakan medan 2 untuk resonansi ganda;
10) sistem pemrograman untuk pendaftaran NMR: untuk spin-spektrometer - sapuan bidang 0 atau frekuensi n0 dalam interval tertentu dengan kecepatan yang diperlukan yang diperlukan oleh jumlah realisasi spektrum; untuk spektrometer berdenyut – pemilihan jumlah, amplitudo dan durasi pulsa probing, waktu pelacakan setiap titik dan jumlah titik interferrogram, waktu pengulangan interferrogram, jumlah siklus akumulasi interferrogram;
11) sistem koreksi medan magnet. Pencacahan skema ini menunjukkan bahwa spektrometer NMR modern adalah sistem pengukuran yang kompleks.
Menurut tujuan NMR - spektrometer dibagi menjadi perangkat resolusi tinggi dan rendah. Batas di sini bersyarat, dan semakin sering karakteristik spektrometer NMR resolusi tinggi dan rendah digabungkan dalam satu instrumen universal. Instrumen resolusi rendah yang khas harus memiliki magnet yang memberikan resolusi relatif sekitar 10-6 jam
Untuk memastikan sensitivitas tinggi, metode modulasi pengamatan sinyal digunakan: medan 0 (frekuensi n0) dimodulasi menurut hukum sinusoidal; frekuensi nm dan amplitudo Am dipilih dari pertimbangan untuk mengoptimalkan sensitivitas dan distorsi sinyal yang ditimbulkan oleh modulasi tersebut. Karena waktu relaksasi spin-lattice T1 dalam kristal dapat mencapai beberapa jam, spektrometer resolusi rendah harus dapat mendeteksi NMR pada tingkat medan frekuensi radio 1 yang sangat rendah untuk menghindari saturasi sinyal. Sensitivitas metode modulasi tergantung pada rasio Am/d, dan rasio untuk sinyal lemah ini harus dipilih sebanding dengan kesatuan. Tapi kemudian ada pelebaran modulasi yang kuat, yang harus diperhitungkan saat memproses sinyal. Kesulitan semakin meningkat jika saluran NMR memiliki komponen yang lebar dan sempit - dengan satu rekaman tidak mungkin untuk menyampaikan rasio intensitas komponen ini dengan benar.
Baru-baru ini, metode berdenyut untuk mendeteksi garis NMR yang luas dalam padatan telah menjadi semakin populer, tetapi di sini kesulitan mereka sendiri muncul. Untuk menggairahkan semua transisi dalam sistem putaran dengan cara yang sama, perlu menggunakan pulsa yang sangat pendek dengan durasi t dan £ 1 s; ini membutuhkan sumber RF yang kuat. Selain itu, respon waktu dari sistem putaran untuk garis lebar (T2~10 s) meluruh dengan sangat cepat; untuk menghasilkan jumlah pembacaan yang cukup dalam beberapa mikrodetik, diperlukan konverter analog-ke-digital dengan kecepatan sekitar 0,1 s per saluran.
Kesulitan besar muncul karena dering sirkuit di sensor dan kelebihan penerima setelah pulsa yang kuat. Keuntungan dari teknologi pulsa adalah bahwa dalam satu percobaan semua parameter magnet nuklir dalam sampel dapat ditentukan - momen, bentuk garis dan waktu relaksasi. Menurut teorema Fourier, frekuensi besar sesuai dengan waktu kecil. Oleh karena itu, metode impuls sedang dikembangkan untuk menganalisis fenomena yang terjadi dalam waktu yang sangat singkat setelah impuls berakhir. Mereka meningkatkan akurasi penentuan momen tertinggi dari garis NMR hingga n=14.
Untuk menerapkan penyempitan pulsa (resolusi tinggi dalam keadaan padat), jumlah saluran pulsa pemancar harus setidaknya empat. Pulsa yang kuat terbentuk dalam mode amplifikasi osilasi yang dibuat oleh osilator master yang akurat. Durasi operasinya harus cukup besar untuk menerapkan akurasi penyetelan frekuensi yang diperlukan dan fase pengisian pulsa frekuensi radio. Selain itu, koherensi spektrometer memungkinkan deteksi sinkron frekuensi tinggi untuk meningkatkan sensitivitas.
Seiring dengan deteksi sinkron, akumulasi sinyal dengan bantuan perangkat penyimpanan multisaluran sangat banyak digunakan. Stabilitas NMR - spektrometer memberikan korespondensi jangka panjang yang jelas dari setiap interval spektral Dn dengan jumlah saluran memori penyimpanan.
Spektrometer resolusi tinggi dibagi menjadi spektrometer stasioner dan spektrometer berdenyut menurut metode untuk menemukan kondisi resonansi. Dalam spektrometer stasioner, resonansi ditemukan dengan mengubah (menyapu) salah satu parameter (n atau 0) sambil memperbaiki yang lain. Dalam spektrometer pulsa dengan medan eksternal konstan 0, sampel disinari dengan pulsa frekuensi tinggi pendek dengan durasi t dan frekuensi n, yaitu. spektrum frekuensi yang daya utamanya berada pada pita n±1/t. Di pita ini, semua transisi NMR yang sesuai tereksitasi, memberikan respons - sinyal peluruhan induksi bebas. Transformasi Fourier dari sinyal ini memberikan spektrum NMR biasa.
Spektrometer yang beroperasi dalam mode stasioner terdiri dari unit utama berikut:
Sebuah magnet yang menciptakan medan yang sangat seragam;
Sensor sinyal yang berisi sampel uji dan koil penerima;
Pemindai yang memungkinkan Anda mengubah dalam jarak kecil medan magnet utama menurut hukum tertentu;
Generator RF yang beroperasi dalam rentang meteran;
Penerima dan penguat RF;
Osiloskop dan potensiometer perekaman untuk mengamati dan merekam spektrum.
Rotasi sampel yang cukup cepat memungkinkan untuk secara efektif menghilangkan pengaruh gradien medan magnet 0. Keadaan ini, karena pertumbuhan terus menerus dari nilai 0, yang digunakan mengarah pada fakta bahwa resolusi relatif yang dicapai, diukur sebagai rasio DH/0, di mana DH adalah ketidakhomogenan medan magnet yang diamati, berada dalam interval 10-9 - 10-10. Garis diukur dalam sepersepuluh dan seperseratus hertz, yang lebarnya ditentukan oleh panjang waktu relaksasi dalam cairan (10-20 detik), menyebabkan kesulitan yang signifikan. Oleh karena itu, mungkin diperlukan beberapa jam untuk satu realisasi spektrum. Ini memberlakukan persyaratan yang sangat tinggi pada sistem untuk menstabilkan kondisi resonansi, yang biasanya dilakukan dengan menggunakan NMR (untuk sampel tambahan - stabilisasi eksternal atau untuk salah satu jalur sampel yang diteliti - stabilisasi internal). Hasil paling sukses diperoleh dengan kombinasi stabilisasi internal dan eksternal.
Spektroskopi NMR
Spektroskopi resonansi magnetik nuklir, spektroskopi NMR- metode spektroskopi untuk mempelajari objek kimia, menggunakan fenomena resonansi magnetik nuklir. Yang paling penting untuk aplikasi kimia dan praktis adalah spektroskopi resonansi magnetik proton (spektroskopi PMR), serta spektroskopi karbon-13 NMR (spektroskopi 13 C NMR), fluor-19 (spektroskopi inframerah, NMR mengungkapkan informasi tentang struktur molekul bahan kimia. , ini memberikan informasi yang lebih lengkap daripada IS, memungkinkan seseorang untuk mempelajari proses dinamis dalam sampel - untuk menentukan konstanta laju reaksi kimia, nilai hambatan energi rotasi intramolekul. Fitur-fitur ini menjadikan spektroskopi NMR alat yang nyaman baik dalam kimia organik teoritis dan untuk analisis objek biologis.
Teknik dasar NMR
Sampel zat untuk NMR ditempatkan dalam tabung kaca berdinding tipis (ampul). Ketika ditempatkan dalam medan magnet, inti aktif NMR (seperti 1 H atau 13 C) menyerap energi elektromagnetik. Frekuensi resonansi, energi penyerapan dan intensitas sinyal yang dipancarkan sebanding dengan kekuatan medan magnet. Jadi di bidang 21 Tesla, sebuah proton beresonansi pada frekuensi 900 MHz.
pergeseran kimia
Tergantung pada lingkungan elektronik lokal, proton yang berbeda dalam molekul beresonansi pada frekuensi yang sedikit berbeda. Karena baik pergeseran frekuensi dan frekuensi resonansi fundamental berbanding lurus dengan kekuatan medan magnet, pergeseran ini diubah menjadi kuantitas tak berdimensi medan magnet yang dikenal sebagai pergeseran kimia. Pergeseran kimia didefinisikan sebagai perubahan relatif terhadap beberapa sampel referensi. Pergeseran frekuensi sangat kecil dibandingkan dengan frekuensi NMR utama. Pergeseran frekuensi tipikal adalah 100 Hz, sedangkan frekuensi NMR dasar berada di urutan 100 MHz. Jadi pergeseran kimia sering dinyatakan dalam bagian per juta (ppm). Untuk mendeteksi perbedaan frekuensi yang begitu kecil, medan magnet yang diterapkan harus konstan dalam volume sampel.
Karena pergeseran kimia bergantung pada struktur kimia zat, maka digunakan untuk memperoleh informasi struktural tentang molekul dalam sampel. Misalnya, spektrum etanol (CH 3 CH 2 OH) memberikan 3 sinyal yang berbeda, yaitu, 3 pergeseran kimia: satu untuk gugus CH 3, yang kedua untuk gugus CH 2 dan yang terakhir untuk OH. Pergeseran khas untuk gugus CH3 adalah sekitar 1 ppm, untuk gugus CH2 yang terikat pada OH-4 ppm dan OH sekitar 2-3 ppm.
Karena gerakan molekuler pada suhu kamar, sinyal dari 3 proton metil rata-rata keluar selama proses NMR, yang berlangsung hanya beberapa milidetik. Proton-proton ini berdegenerasi dan membentuk puncak pada pergeseran kimia yang sama. Perangkat lunak ini memungkinkan Anda untuk menganalisis ukuran puncak untuk memahami berapa banyak proton yang berkontribusi pada puncak ini.
Interaksi spin-spin
Informasi yang paling berguna untuk menentukan struktur dalam spektrum NMR satu dimensi disediakan oleh apa yang disebut interaksi spin-spin antara inti NMR aktif. Interaksi ini dihasilkan dari transisi antara keadaan spin nuklir yang berbeda dalam molekul kimia, menghasilkan pemisahan sinyal NMR. Pemisahan ini bisa sederhana atau kompleks dan, sebagai hasilnya, mudah untuk ditafsirkan atau dapat membingungkan pelaku eksperimen.
Pengikatan ini memberikan informasi rinci tentang ikatan atom dalam molekul.
Interaksi orde kedua (kuat)
Interaksi spin-spin sederhana mengasumsikan bahwa konstanta kopling kecil dibandingkan dengan perbedaan pergeseran kimia antara sinyal. Jika perbedaan pergeseran berkurang (atau konstanta kopling meningkat), intensitas kelipatan sampel menjadi terdistorsi, menjadi lebih sulit untuk dianalisis (terutama jika sistem berisi lebih dari 2 putaran). Namun, dalam spektrometer NMR daya tinggi, distorsi biasanya moderat, dan ini memudahkan interpretasi puncak terkait.
Efek orde kedua berkurang dengan meningkatnya perbedaan frekuensi antara multiplet, sehingga spektrum NMR frekuensi tinggi menunjukkan lebih sedikit distorsi daripada spektrum frekuensi rendah.
Penerapan spektroskopi NMR untuk mempelajari protein
Sebagian besar inovasi terbaru dalam spektroskopi NMR dibuat dalam apa yang disebut spektroskopi protein NMR, yang menjadi teknik yang sangat penting dalam biologi dan kedokteran modern. Tujuan umum adalah untuk mendapatkan resolusi tinggi struktur 3-dimensi protein, mirip dengan gambar yang diperoleh dalam kristalografi sinar-X. Karena adanya lebih banyak atom dalam molekul protein dibandingkan dengan senyawa organik sederhana, spektrum 1 D yang mendasari dipenuhi dengan sinyal yang tumpang tindih, membuat analisis spektrum langsung menjadi tidak mungkin. Oleh karena itu, teknik multidimensi telah dikembangkan untuk memecahkan masalah ini.
Untuk meningkatkan hasil eksperimen ini, metode atom berlabel digunakan, menggunakan 13 C atau 15 N. Dengan demikian, spektrum 3D dari sampel protein menjadi mungkin, yang telah menjadi terobosan dalam farmasi modern. Baru-baru ini, teknik (memiliki kelebihan dan kekurangan) untuk memperoleh spektrum 4D dan spektrum dimensi yang lebih tinggi, berdasarkan metode pengambilan sampel nonlinier dengan pemulihan selanjutnya dari sinyal peluruhan induksi bebas menggunakan teknik matematika khusus, telah tersebar luas.
literatur
- Gunter X. Pengantar kursus spektroskopi NMR. - Per. dari bahasa Inggris. -M., 1984.
Yayasan Wikimedia. 2010 .
Lihat apa itu "spektroskopi NMR" di kamus lain:
Spektroskopi resonansi magnetik nuklir pada inti karbon 13, Spektroskopi NMR 13C merupakan salah satu metode spektroskopi NMR yang menggunakan inti isotop karbon 13C. Inti 13C memiliki putaran 1/2 dalam keadaan dasar, isinya di alam ... ... Wikipedia
Gambar otak manusia pada tomografi NMR medis Resonansi magnetik nuklir (NMR) resonansi penyerapan energi elektromagnetik oleh zat yang mengandung inti dengan putaran non-nol dalam medan magnet eksternal, karena reorientasi ... ... Wikipedia
Spektroskopi NMR
Spektroskopi NMR
spektroskopi resonansi magnetik- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR…… Penkiakalbis aiskinamesis metrologijos terminų odynas
spektroskopi resonansi magnetik nuklir- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Spektroskopi NMR; spektroskopi resonansi magnetik nuklir vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; Spektroskopi NMR, untuk rus. spektroskopi nuklir … Fizikos terminų odynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujini medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR…… Penkiakalbis aiskinamesis metrologijos terminų odynas
spektroskopi resonansi nuklir- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Spektroskopi NMR; spektroskopi resonansi magnetik nuklir vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; Spektroskopi NMR, untuk rus. spektroskopi nuklir … Fizikos terminų odynas
Himpunan metode penelitian. dalam VA menurut spektrum serapan atom, ion, dan molekulnya el. besar gelombang radio. Metode paramagnet elektronik milik R.. resonansi (EPR), magnet nuklir. resonansi (NMR), resonansi siklotron, dll ... Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis
Gambar otak manusia pada tomografi NMR medis Resonansi magnetik nuklir (NMR) penyerapan resonansi atau emisi energi elektromagnetik oleh zat yang mengandung inti dengan putaran tidak nol dalam medan magnet eksternal, pada frekuensi ... ... Wikipedia