صنایع شیمیایی

آشنایی با آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای

آنالیز NMR  یا رزونانس مغناطیس هسته ای (Nuclear magnetic resonance spectroscopy) یک تکنیک طیف سنجی برای مشاهده میدان های مغناطیسی موضعی اطراف هسته های اتمی است. آنالیز NMR روش قطعی برای شناسایی ترکیبات آلی تک مولکولی است و بیوشیمیست ها از NMR برای شناسایی پروتئین ها و سایر مولکول های پیچیده استفاده می کنند.

اگرچه کروماتوگرافی ، طیف سنجی جرمی و کمیت جذب تابشی اطلاعات گسترده ای از خصوصیات مولکولی ارائه می دهد ، اما فناوری پیچیده تری برای شناسایی کامل یک ساختار لازم است. طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) و کریستالوگرافی اشعه ایکس متداول ترین روش برای شناسایی ساختار متابولیت ها هستند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این زمینه ارائه خواهد شد.

آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای چیست؟

طيف سنجی رزونانس مغناطيسی هسته‌ یا  NMR روشی است که برای تعیین خواص مغناطیسی بعضی از عناصر به کار می رود. آنالیز NMR براساس خاصیت تشدید مغناطیسی هسته انجام شده و می ‌تواند اطلاعات مفیدی دربارۀ ساختار، دینامیک و حالت واکنش های شیمیایی مولکول‌ ها ارائه دهد.

به عبارت دیگر با روش NMR می ‌توان خواص فیزیکی و شیمیایی اتم ‌ها یا مولکو‌ل ‌ها را مشخص کرد به همین دلیل این آزمون کاربرد گسترده ای در شناسایی ساختار ترکیبات آلی یا ویژگی ‌های مولکول‌های آلی دارد.

متداول ترین انواع NMR طیف سنجی پروتون و کربن -۱۳ است این روش برای هر نوع نمونه ای که حاوی هسته های دارای چرخش است، قابل استفاده می باشد. طیف سنجی NMR اطلاعات مفصلی در مورد ساختار ، پویایی ، حالت واکنش و محیط شیمیایی مولکول ها ارائه می دهد.

تاریخچه کاربرد آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای

رزونانس مغناطیسی هسته ای برای اولین بار در سال ۱۹۳۸ توسط Isidor Rabi در پرتوهای مولکولی توصیف و اندازه گیری شد. این روش توسط استرن- گرلاچ در سال ۱۹۴۴  توسعه بیشتری یافت.

یوگنی زاوویسکی احتمالاً در سال ۱۹۴۱ ، درست قبل از فلیکس بلوچ و ادوارد میلز پورسل ، رزونانس مغناطیسی هسته ای را مشاهده کرد ، اما نتایج را به دلیل غیرقابل تکرار بودن از دست داد.

راسل H. واریان در ۲۴ ژوئیه ۱۹۵۱  روشی را برای ارتباط بین خصوصیات هسته ای اتم ها و میادین مغناطیسی ثبت كردند. Varian Associates اولین واحد NMR را با نام NMR HR-30 در سال ۱۹۵۲ توسعه داد. پورسل در طی کار بر روی پروژه ای در زمینه تولید و تشخیص قدرت فرکانس رادیویی و جذب انرژی مانند RF توسط ماده ، پایه و اساس کشف NMR در مواد  توده ای را فراهم کرد.

رابی ، بلوچ و پورسل مشاهده کردند که هسته های مغناطیسی مانند ۱H و ۳۱P می توانند انرژی RF را هنگام قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی جذب کند. هنگامی که این جذب رخ می دهد ، هسته به عنوان رزونانس توصیف می شود.

هسته های اتمی مختلفی درون یک مولکول در فرکانس های مختلف (رادیویی) برای میدان مغناطیسی با قدرت یکسان دچار رزونانس می شوند. مشاهده چنین فرکانسهای رزونانس مغناطیسی درهسته های موجود در یک مولکول کاربران آموزش دیده این امکان را می دهد که اطلاعات شیمیایی و ساختاری اساسی در مورد مولکول بدست بیاورند.

آشنایی با آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای
آشنایی با آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای

کاربردهای آنالیز  NMR

  • آنالیز های کیفی و شناسایی ساختار ترکیبات آلی و مواد شیمیایی
  • شناسایی ساختار مولکولی ترکیبات جامد
  • مطالعات سینتیکی واکنش ها و تعادل های ساختاری و شیمیایی
  • مطالعه ساختار مولکول های بسیار پیچیده همچون پروتئین ها، آنزیم ها، DNA، کمپلکس های لیگاند-پروتئین و …
  • شناسایی ساختار ترکیبات آلی، معدنی، بیولوژیک و دارویی
  • تعيين گروه های عاملی در يک مولکول
  • ارزیابی مغناطیسی ترکیبات پارا مغناطیس
  • تصویربرداری های پزشکی
  • آناليز نمونه های نفتی
  • آناليز نمونه های غذايی
  • مطالعه ترموديناميكی واكنش ‌های شیمیایی مختلف

اصول آنالیز  NMR

در این آزمون نمونه در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد و سیگنال NMR با تحریک هسته نمونه با امواج رادیویی به رزونانس مغناطیسی هسته ای تبدیل می شود که با گیرنده های حساس رادیویی شناسایی می شود. از آنجاییکه میدان مغناطیسی درون مولکولی اطراف یک اتم در مولکول، فرکانس رزونانس را تغییر می دهد ، بنابراین می توان به جزئیات ساختار الکترونیکی یک مولکول و گروه های عملکردی منحصر به فرد آن دسترسی پیدا کرد.

برای آزمون طیف سنجی NMR نمونه ها باید محلول باشند و برای آماده سازی آنها حلال های خاصی استفاده شوند که دارای پروتون نیستند مانند کلروفرم دوتره که به جای هیدروژن حاوی دوتریم است و معمولا برای ترکیبات غیر قطبی به کار می رود. برای ترکیبات قطبی تر حلال های دوتره دیگری مثل استون دی متیل سولفوکسید و آب مورد استفاده قرار می گیرد.

محلول نمونه در یک لوله شیمیایی خاص در مرکز مغناطیسی تحت چرخش قرار می گیرد. با چرخش نمونه حول محور خود تمام قسمت های محلول تحت میدان مغناطیسی نسبتا یکنواختی قرار می گیرند.

در این آنالیز فرکانس انرژی جذب شده توسط هسته های مغناطیسی واقع در یک میدان مغناطیسی خارجی اندازه گیری می شود. شایان ذکر است که درهر مولکول هسته ها توسط الکترون های اطراف خود از میدان مغناطیسی خارجی محافظت می شود. بنابراین هر هسته ای در محیط مولکولی فقط می تواند یک فرکانس مشخص را جذب کند.

آنالیز NMR  یا رزونانس مغناطیس هسته ای ، هسته اتم ها را به صورت تابعی از فرکانس و شدت سیگنال با توجه به تعداد هسته های موجود ارزیابی می کند. طیف های حاصل که معیاری از اختلاف پوشش احساس شده به وسیله هر هسته در مولکول های آنالیت و ترکیب مرجع می باشد برحسب ppm گزارش می شوند.

نقاط ضعف و قوت آنالیز NMR یا رزونانس مغناطیس هسته ای

طیف های NMR منحصر به فرد و از نظر تحلیلی قابل ردیابی بوده و اغلب برای مولکول های کوچک بسیار قابل پیش بینی هستند. گروه های مختلف عملکردی با این روش به وضوح قابل تشخیص هستند . NMR در حال حاضر تا حد زیادی جایگزین تست های شیمیایی سنتی مرطوب مانند معرف های رنگی یا کروماتوگرافی معمولی برای شناسایی شده است.

یکی از نقاط ضعف این روش مقدار نسبتاً زیاد نمونه  مورد نیاز یعنی ۲-۵۰ میلی گرم است. بازه زمانی NMR هم نسبتاً طولانی است و بنابراین برای مشاهده پدیده های سریع مناسب نیست و فقط یک طیف متوسط ​​تولید می کند.

اگرچه مقادیر زیادی ناخالصی در طیف NMR نشان داده می شود ولی روش های بهتری برای تشخیص ناخالصی ها وجود دارد زیرا NMR ذاتاً بسیار حساس نیست، هرچند در فرکانس های بالاتر ، حساسیت بیشتری دارد.

آنالیز NMR  تکنیک بسیار گران و پرهزینه ای است و کار با آن نیاز به مهارت ویژه دارد. این روش برای نمونه هایی با غلظت های کم فاقد کارایی است و نگهداری و تعمیر دستگاه آن نیز بسیار پرهرینه است.

برچسب ها

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
بستن