เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์(NMR) ปรากฏการณ์การดูดกลืนเรโซแนนซ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่วิทยุ พลังงาน in-vom ด้วย mag ที่ไม่เป็นศูนย์ โมเมนต์ของนิวเคลียสที่อยู่ภายนอก นักมายากลถาวร สนาม. แม่เหล็กนิวเคลียร์ที่ไม่ใช่ศูนย์ นิวเคลียส 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P ฯลฯ มีช่วงเวลาหนึ่ง โดยปกติแล้ว NMR จะสังเกตได้ในสนามแม่เหล็กคงที่สม่ำเสมอ ฟิลด์ B 0 ,
สนามความถี่วิทยุอ่อน B 1 ที่ตั้งฉากกับสนาม B 0 ถูกซ้อนทับ สำหรับสารที่มีการหมุนของนิวเคลียส I = 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P เป็นต้น) อาจมีการวางแนวแม่เหล็กสองทิศทางในสนาม B 0 โมเมนต์ไดโพลของนิวเคลียส "ตามสนาม" และ "ตรงข้ามสนาม" ระดับพลังงาน E ที่เกิดขึ้นสองระดับเกิดขึ้นเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์ แม็ก โมเมนต์ของนิวเคลียสกับสนาม B 0
คั่นด้วยช่วงเวลา
โดยมีเงื่อนไขว่า h เป็นค่าคงที่ของพลังค์ v 0 คือความถี่ของสนามความถี่วิทยุ B 1 คือความถี่วงกลมที่เรียกว่า ไจโรแมก อัตราส่วนของนิวเคลียส, การดูดซับเรโซแนนซ์ของพลังงานสนาม B 1 ถูกสังเกต ,
เรียกว่า NMR สำหรับนิวไคลด์ 1 H, 13 C, 31 P ความถี่ NMR ในสนาม B 0 = 11.7 T จะเท่ากันตามลำดับ (เป็น MHz): 500, 160.42 และ 202.4; ค่า (เป็น MHz/T): 42.58, 10.68 และ 17.24 ตามแบบจำลองควอนตัม ระดับพลังงาน 2I+1 เกิดขึ้นในสนาม B 0 ซึ่งอนุญาตให้มีการเปลี่ยนผ่านที่โดยที่ m คือแม็ก หมายเลขควอนตัม
เทคนิคการทดลอง พารามิเตอร์ของสเปกตรัม NMR NMR สเปกโทรสโกปีขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของ NMR สเปกตรัม NMR จะถูกบันทึกโดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ (รูปที่) นำตัวอย่างของสารที่ศึกษามาวางเป็นแกนในขดลวดของวงจรกำเนิด (สนาม B 1) ซึ่งอยู่ในช่องว่างของแม่เหล็กที่สร้างสนาม B 0 ดังนั้น เมื่อเกิดการดูดซับเรโซแนนซ์ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าตก บนวงจรในวงจรที่มีขดลวดพร้อมตัวอย่าง ตรวจพบ ขยาย และป้อนแรงดันไฟฟ้าตกไปยังอุปกรณ์กวาดหรือบันทึกของออสซิลโลสโคป ในความทันสมัย สเปกโตรมิเตอร์วิทยุ NMR มักใช้สนามเวทย์มนตร์ที่มีความแรง 1-12 เทสลา ขอบเขตของสเปกตรัมซึ่งมีสัญญาณที่ตรวจพบได้ตั้งแต่หนึ่งสัญญาณขึ้นไป สูงสุดเรียกว่า เส้นการดูดซึม NMR ความกว้างของเส้นที่สังเกตได้วัดที่ครึ่งสูงสุด ความเข้มและแสดงเป็น Hz เรียกว่า ความกว้างของเส้น NMR ความละเอียดสเปกตรัม NMR - นาที ความกว้างของเส้น NMR ที่สเปกโตรมิเตอร์นี้อนุญาตให้สังเกตได้ ความเร็วของการเคลื่อนที่คือความเร็ว (เป็น Hz/s) ซึ่งความเข้มของแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไป สนามหรือความถี่ของรังสีความถี่วิทยุที่ส่งผลต่อตัวอย่างเมื่อได้รับสเปกตรัม NMR
แผนภาพของสเปกโตรมิเตอร์ NMR: 1 - คอยล์พร้อมตัวอย่าง; 2 - เสาแม่เหล็ก; 3 - เครื่องกำเนิดสนามความถี่วิทยุ; 4 - เครื่องขยายเสียงและเครื่องตรวจจับ; 5 - เครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบมอดูเลต; 6 - คอยล์มอดูเลตสนาม B 0; 7 - ออสซิลโลสโคป
ระบบจะกระจายพลังงานที่ดูดซับไว้ภายในตัวมันเอง (ที่เรียกว่าสปิน-สปิน หรือการผ่อนคลายตามขวาง เวลาลักษณะเฉพาะ T 2) และปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม (การผ่อนคลายแบบสปิน-แลตทิซ เวลาผ่อนคลาย T 1) ครั้ง T 1 และ T 2 มีข้อมูลเกี่ยวกับระยะทางระหว่างนิวเคลียร์และเวลาสหสัมพันธ์ พวกเขาพูด การเคลื่อนไหว การวัดการพึ่งพา T 1 และ T 2 กับอุณหภูมิและความถี่ v 0 ให้ข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนสารเคมี สมดุล การเปลี่ยนเฟส ฯลฯ ในของแข็งที่มีโครงตาข่ายแข็ง T 2 = 10 μs และ T 1 > 10 3 s เนื่องจากไม่มีกลไกปกติของการผ่อนคลายแบบสปิน-แลตทิซ และการผ่อนคลายเกิดขึ้นจากพาราแมกเนติก สิ่งสกปรก เนื่องจาก T2 มีขนาดเล็ก ความกว้างตามธรรมชาติของเส้น NMR จึงมีขนาดใหญ่มาก (หลายสิบ kHz) และการลงทะเบียนอยู่ในขอบเขต NMR ของเส้นกว้าง ในของเหลวความหนืดต่ำ T 1 T 2 และวัดเป็นวินาที ตอบกลับ เส้น NMR มีความกว้างประมาณ 10 -1 Hz (NMR ความละเอียดสูง) หากต้องการสร้างรูปร่างเส้นใหม่โดยไม่บิดเบี้ยว จำเป็นต้องผ่านเส้นที่มีความกว้าง 0.1 Hz เป็นเวลา 100 วินาที สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อจำกัดที่สำคัญเกี่ยวกับความไวของ NMR สเปกโตรมิเตอร์
พารามิเตอร์หลักของสเปกตรัม NMR คือสารเคมี shift - อัตราส่วนของความแตกต่างระหว่างความถี่ของสัญญาณ NMR ที่สังเกตได้และสัญญาณอ้างอิงที่เลือกตามอัตภาพบางอย่างที่ถ่ายด้วยสัญญาณที่เหมาะสม มาตรฐานกับความถี่ของสัญญาณอ้างอิง (แสดงเป็นส่วนในล้านส่วน, ppm) เคมี. การเปลี่ยนแปลง NMR ถูกวัดในปริมาณไร้มิติโดยวัดจากจุดสูงสุดของสัญญาณอ้างอิง หากมาตรฐานให้สัญญาณที่ความถี่ v 0 แสดงว่า 
ขึ้นอยู่กับลักษณะของนิวเคลียสที่กำลังศึกษา ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่างโปรตอน NMR หรือ PMR และ 13 C NMR (ตารางค่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจะได้รับในเอกสารท้ายของปริมาตร) NMR 19 F (ดูสารประกอบออร์กาโนฟลูออรีน), NMR 31 P (ดูสารประกอบออร์กาโนฟอสฟอรัส) ฯลฯ ปริมาณนี้มีคุณสมบัติเฉพาะที่มีนัยสำคัญ และทำให้สามารถระบุจากสเปกตรัม NMR ว่ามีโมลบางชนิดอยู่ เศษ ข้อมูลทางเคมีที่เกี่ยวข้อง กะต่างกัน นิวเคลียสได้รับการตีพิมพ์ในหนังสืออ้างอิงและตำราเรียน และยังรวมอยู่ในฐานข้อมูลที่จัดหาข้อมูลสมัยใหม่อีกด้วย สเปกโตรมิเตอร์ NMR ในกลุ่มสารประกอบเคมีที่มีโครงสร้างคล้ายกัน การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบนนิวเคลียสที่สอดคล้องกัน
มาตรฐานที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับ PMR และ 13 C NMR คือ tetramethylsilane (TMS) มาตรฐาน MB ละลายในสารละลายทดสอบ (มาตรฐานภายใน) หรือวางไว้ เช่น ในเส้นเลือดฝอยที่ปิดสนิทซึ่งอยู่ภายในหลอดบรรจุตัวอย่าง (มาตรฐานภายนอก) เฉพาะผู้ที่มีการดูดซึมของตัวเองไม่ทับซ้อนกับพื้นที่ที่สนใจสำหรับการวิจัยเท่านั้นที่สามารถใช้เป็น p-residue ได้ สำหรับ PMR รีเอเจนต์ที่ดีที่สุดคือตัวที่ไม่มีโปรตอน (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O เป็นต้น)
ในโมเลกุลโพลีอะตอมมิก นิวเคลียสของอะตอมที่เหมือนกันซึ่งมีตำแหน่งที่ไม่เทียบเท่าทางเคมีจะมีเคมีต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความแตกต่างของแม่เหล็ก การป้องกันนิวเคลียสโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอน (นิวเคลียสดังกล่าวเรียกว่าแอนไอโซโครนัส) สำหรับ i-th core 
ไดอะแมกคงที่อยู่ที่ไหน การคัดกรอง วัดเป็น ppm สำหรับโปรตอน ช่วงการเปลี่ยนแปลงโดยทั่วไปจะสูงถึง 20 ppm สำหรับนิวเคลียสที่หนักกว่า ช่วงเหล่านี้จะใหญ่กว่า 2-3 ลำดับความสำคัญ
พารามิเตอร์ที่สำคัญของสเปกตรัม NMR คือค่าคงที่ของปฏิกิริยาระหว่างสปินและสปิน (ค่าคงที่ TCO) - การวัด TCO ทางอ้อมระหว่างส่วนต่าง แม็ก นิวเคลียสของหนึ่งโมเลกุล (ดูปฏิสัมพันธ์ของสปิน-สปิน); แสดงเป็น Hz
ปฏิสัมพันธ์ การหมุนของนิวเคลียร์ด้วยการหมุนของอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในโมเลกุลระหว่างนิวเคลียส i และ j นำไปสู่การวางแนวร่วมกันของนิวเคลียสเหล่านี้ในสนาม B 0 (SSV) ด้วยความละเอียดที่เพียงพอ 
SSV นำไปสู่การเพิ่มเติม เส้นหลายหลากที่สอดคล้องกับค่าทางเคมีบางอย่าง กะ: โดยที่ J ij - ค่าคงที่ SSV; F ij - ปริมาณค่าที่กำหนดโดยการหมุนของนิวเคลียส i และ j ซึ่งเป็นความสมมาตรของโมลที่สอดคล้องกัน ชิ้นส่วน, มุมไดฮีดรัลระหว่างสารเคมี การเชื่อมต่อและจำนวนการเชื่อมต่อระหว่างนิวเคลียสที่เข้าร่วมใน SSV
ถ้าเคมี. การเปลี่ยนแปลงมีขนาดใหญ่เพียงพอ เช่น ต่ำสุดสูงสุด (J ij) จากนั้น SSW จะปรากฏในรูปแบบของทวีคูณอย่างง่ายที่มีการกระจายความเข้มทวินาม (สเปกตรัมลำดับที่หนึ่ง) ดังนั้น ในกลุ่มเอทิล สัญญาณของเมทิลโปรตอนจะปรากฏเป็นแฝดที่มีอัตราส่วนความเข้ม 1:2:1 และสัญญาณของโปรตอนเมทิลีนจะปรากฏเป็นสี่เท่าที่มีอัตราส่วนความเข้ม 1:3:3:1 ในสเปกตรัม 13 C NMR หมู่มีไทนคือกลุ่มคู่ (1:1) และหมู่เมทิลีนและเมทิล ตามลำดับ แฝดและสี่เท่า แต่มีค่าคงที่ SSV สูงกว่าในสเปกตรัมโปรตอน เคมี. การเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมลำดับที่หนึ่งจะเท่ากับช่วงเวลาระหว่างศูนย์กลางของมัลติเพลต และ J ij - ระยะห่างระหว่างพีคที่อยู่ติดกันของมัลติเล็ต หากเงื่อนไขลำดับที่หนึ่งไม่เป็นที่พอใจ สเปกตรัมก็จะซับซ้อน: โดยทั่วไปแล้ว ในเงื่อนไขเหล่านั้น ไม่ใช่ช่วงเวลาเดียว ซึ่งเท่ากับ J ij อย่างใดอย่างหนึ่ง ค่าที่แน่นอนของพารามิเตอร์สเปกตรัมได้มาจากกลศาสตร์ควอนตัม การคำนวณ โปรแกรมที่เกี่ยวข้องจะรวมอยู่ในเสื่อ ให้ความทันสมัย สเปกโตรมิเตอร์ NMR เนื้อหาข้อมูลเคมี การเปลี่ยนแปลงและค่าคงที่ SSV ได้เปลี่ยน NMR สเปกโทรสโกปีที่มีความละเอียดสูงให้เป็นหนึ่งในวิธีการด้านคุณภาพที่สำคัญที่สุด และปริมาณ การวิเคราะห์สารผสม ระบบ ยาและองค์ประกอบที่ซับซ้อน ตลอดจนการศึกษาโครงสร้างและปฏิกิริยา ความสามารถของโมเลกุล เมื่อศึกษาโครงสร้างความเสื่อมถอยและไดนามิกอื่น ๆ ระบบ geom โครงสร้างของโมเลกุลโปรตีนในสารละลายด้วยสารเคมีในท้องถิ่นที่ไม่ทำลาย การวิเคราะห์สิ่งมีชีวิต ฯลฯ ความสามารถของวิธี NMR มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว
การดึงดูดด้วยนิวเคลียร์บนเกาะตามการกระจายของ Boltzmann ในระบบการหมุนสองระดับของ N สปิน อัตราส่วนของจำนวนการหมุน N + ในระดับล่างต่อจำนวนการหมุน N - ในระดับบนจะเท่ากับโดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann T-t-ra. ที่ B 0 = 1 T และ T = 300 K สำหรับโปรตอน อัตราส่วน N + /N - .= 1.00005 อัตราส่วนนี้กำหนดขนาดของสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ของสารที่วางอยู่ในสนาม B 0 . แม็ก ช่วงเวลาม นิวเคลียสแต่ละอันมีการเคลื่อนที่ล่วงหน้าสัมพันธ์กับแกน z ซึ่งสนาม B 0 มุ่งไป ความถี่ของการเคลื่อนไหวนี้เท่ากับความถี่ NMR ผลรวมของการคาดการณ์โมเมนต์นิวเคลียร์ก่อนหน้าบนแกน z ทำให้เกิดภาพขนาดมหภาค การทำให้เป็นแม่เหล็กใน 
M z = 10 18 ในระนาบ xy ที่ตั้งฉากกับแกน z เส้นโครงของเวกเตอร์เนื่องจากการสุ่มของเฟส precession จะเท่ากับศูนย์: M xy = 0 การดูดซับพลังงานระหว่าง NMR หมายความว่าต่อหน่วยเวลา สปินจะผ่านไปมากขึ้น จากระดับล่างไปด้านบนมากกว่าในทิศทางตรงกันข้ามเช่น ความแตกต่างของประชากร N + - N - ลดลง (การให้ความร้อนของระบบหมุน, ความอิ่มตัวของ NMR) เมื่ออิ่มตัวในโหมดคงที่ แรงดึงดูดของระบบจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นี่คือสิ่งที่เรียกว่า Overhauser effect สำหรับนิวเคลียสที่กำหนด NOE (Nuclear Overhauser effect) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อเพิ่มความไว เช่นเดียวกับการประมาณระยะทางระหว่างนิวเคลียร์เมื่อศึกษาท่าเรือ เรขาคณิตโดยใช้วิธี NMR สเปกโทรสโกปี
แบบจำลองเวกเตอร์ NMRเมื่อบันทึก NMR สนามความถี่วิทยุที่ทำงานในระนาบ xy จะถูกนำไปใช้กับตัวอย่าง ในระนาบนี้ สนาม B 1 ถือได้ว่าเป็นเวกเตอร์สองตัวที่มีแอมพลิจูด B 1m/ 2 ซึ่งหมุนด้วยความถี่ในทิศทางตรงกันข้าม มีการใช้ระบบพิกัดการหมุน x"y"z แกน x เกิดขึ้นพร้อมกับเวกเตอร์ B 1m/ 2 ซึ่งหมุนไปในทิศทางเดียวกันกับเวกเตอร์ อิทธิพลของมันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในมุมที่ปลายของกรวยพรีเซสชั่นของ ช่วงเวลาแม่เหล็กนิวเคลียร์ การดึงดูดด้วยแม่เหล็กนิวเคลียร์ M z เริ่มขึ้นอยู่กับเวลาและในระนาบ x"y" การฉายภาพที่ไม่ใช่ศูนย์ของการดึงดูดด้วยนิวเคลียร์จะปรากฏขึ้น ในระบบพิกัดคงที่ การฉายภาพนี้จะหมุนตามความถี่ เช่น แรงดันความถี่วิทยุถูกเหนี่ยวนำให้เกิด ในตัวเหนี่ยวนำซึ่งหลังจากการตรวจจับจะให้สัญญาณ NMR - ฟังก์ชั่นของการดึงดูดด้วยนิวเคลียร์จากความถี่จะแยกความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงช้า (โหมดกวาด) และ NMR แบบพัลส์ การเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนที่แท้จริงของเวกเตอร์การทำให้เป็นแม่เหล็กนิวเคลียร์สร้างสัญญาณอิสระสองสัญญาณใน ระนาบ x"y": M x, (ในเฟสที่มีแรงดันความถี่วิทยุ B 1) และ M y" (เลื่อนสัมพันธ์กับ B 1 ในเฟส 90 ° C) การลงทะเบียน M x" และ M y" พร้อมกัน (การตรวจจับการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส) จะเพิ่มความไวของ NMR สเปกโตรมิเตอร์เป็นสองเท่า ด้วยแอมพลิจูดที่ใหญ่เพียงพอ B 1m ของการฉายภาพ M z = M x " = M y " = 0 (ความอิ่มตัวของ NMR) ดังนั้นภายใต้การกระทำอย่างต่อเนื่องของสนาม B 1 แอมพลิจูดของสนามจะต้องมีขนาดเล็กมากเพื่อรักษาสภาวะการสังเกตดั้งเดิมไว้ไม่เปลี่ยนแปลง
ในพัลซิ่ง NMR ในทางกลับกันค่า B 1 จะถูกเลือกมากจนในช่วงเวลา t และ T 2 เวกเตอร์ M z ในระบบพิกัดการหมุนจะเบี่ยงเบนไปจากแกน z เป็นมุม ที่ = 90° ชีพจรเรียกว่า 90° (/2-พัลส์) ภายใต้อิทธิพลของมัน เวกเตอร์การทำให้เป็นแม่เหล็กนิวเคลียร์จะปรากฏในระนาบ x"y" เช่น หลังจากสิ้นสุดพัลส์ เวกเตอร์ M y" เริ่มลดลงในแอมพลิจูดตามเวลา T 2 เนื่องจากความแตกต่างของเฟสของเวกเตอร์เบื้องต้นที่เป็นส่วนประกอบ ( การหมุน-หมุนผ่อนคลาย) การฟื้นคืนความสมดุลของสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ M z เกิดขึ้นกับเวลาคลายตัวของสปิน-แลตทิซ T 1 ที่ = 180° (พัลส์) เวกเตอร์ M z จะพอดีกับทิศทางลบของแกน z และคลายตัวหลังจากสิ้นสุด ชีพจรจะเข้าสู่ตำแหน่งสมดุล การผสมผสานของพัลส์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน NMR spectroscopy เวอร์ชันหลายพัลส์สมัยใหม่
คุณลักษณะที่สำคัญของระบบพิกัดการหมุนคือความแตกต่างของความถี่เรโซแนนซ์ในระบบพิกัดที่อยู่กับที่: ถ้า B 1 V lok (สนามคงที่ในพื้นที่) ดังนั้นเวกเตอร์ M จะอยู่ในระบบพิกัดการหมุนที่สัมพันธ์กับสนาม เมื่อ ความถี่ NMR ในระบบพิกัดที่หมุนได้รับการปรับอย่างละเอียดเพื่อให้สอดคล้องกับเสียงสะท้อน ซึ่งช่วยให้สามารถขยายขีดความสามารถของ NMR ในการศึกษากระบวนการที่ช้าในสสารได้อย่างมาก
เคมี. การแลกเปลี่ยนและสเปกตรัม NMR(NMR แบบไดนามิก) พารามิเตอร์ของการแลกเปลี่ยนสองตำแหน่ง AB คือเวลาที่อยู่อาศัยและความน่าจะเป็นที่อยู่อาศัย 
และ ที่อุณหภูมิต่ำ สเปกตรัม NMR จะประกอบด้วยเส้นแคบสองเส้นคั่นด้วย Hz; จากนั้นเมื่อพวกเขาลดลง เส้นก็เริ่มกว้างขึ้นและยังคงอยู่ในที่เดิม เมื่อความถี่การแลกเปลี่ยนเริ่มเกินระยะห่างเริ่มต้นระหว่างเส้น เส้นต่างๆ จะเริ่มเคลื่อนเข้าใกล้กันมากขึ้น และเมื่อเกิน 10 ครั้ง เส้นกว้างหนึ่งเส้นจะถูกสร้างขึ้นที่กึ่งกลางของช่วง (v A, v B) หากมีเพิ่มเติม การเติบโตของอุณหภูมิเส้นที่รวมกันนี้จะแคบลง การเปรียบเทียบการทดลอง สเปกตรัมที่มีการคำนวณช่วยให้คุณสามารถระบุความถี่ที่แน่นอนของสารเคมีสำหรับแต่ละ t-ry แลกเปลี่ยนจากข้อมูลเหล่านี้จะมีการคำนวณทางอุณหพลศาสตร์ ลักษณะกระบวนการ ด้วยการแลกเปลี่ยนหลายตำแหน่งในสเปกตรัม NMR ที่ซับซ้อน ตามทฤษฎี สเปกตรัมได้มาจากควอนตัมเมค การคำนวณ พลวัต NMR เป็นหนึ่งในหลัก วิธีการศึกษาสเตอริโอเคมี ความไม่มั่นคง ความสมดุลทางโครงสร้าง ฯลฯ
หมุนในมุมมหัศจรรย์การแสดงออกของศักยภาพอันตรกิริยาระหว่างไดโพล-ไดโพล มีตัวคูณ 
โดยที่มุมระหว่าง B 0 และเวกเตอร์ระหว่างนิวเคลียร์ r ij อยู่ที่ไหน ที่ = arccos 3 -1/2 = 54°44" (มุม "มหัศจรรย์") ปัจจัยเหล่านี้จะหายไป กล่าวคือ การมีส่วนร่วมที่สอดคล้องกับความกว้างของเส้นจะหายไป หากคุณหมุนตัวอย่างที่เป็นของแข็งด้วยความเร็วสูงมากรอบแกนที่มีความเอียง ภายใต้เวทย์มนตร์ . มุมถึง B 0 จากนั้นในของแข็งจึงเป็นไปได้ที่จะได้สเปกตรัมความละเอียดสูงที่มีเส้นเกือบแคบเท่ากับในของเหลว
เส้นกว้างในของแข็งในผลึกที่มีโครงตาข่ายแข็ง รูปร่างของเส้น NMR จะถูกกำหนดแบบคงที่ การกระจายตัวของแม่เหล็กในท้องถิ่น สาขา นิวเคลียสของแลตทิซทั้งหมด ยกเว้นกระจุก ในปริมาตรคงที่การแปลค่า V 0 รอบนิวเคลียสที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ให้การแจกแจงแบบเกาส์เซียน g(v) = exp(-v 2 /2a 2) โดยที่ v คือระยะห่างจาก ศูนย์กลางของเส้น; ความกว้างของเกาส์เซียน a นั้นแปรผกผันกับรูปทรงเฉลี่ย ปริมาตร V 0 และ V 1 และ V 1 แสดงถึงความเข้มข้นของแม่เหล็กเฉลี่ยทั่วทั้งคริสตัล แกน ภายใน V 0 ความเข้มข้นของแม่เหล็ก นิวเคลียสมีขนาดใหญ่กว่าค่าเฉลี่ยและนิวเคลียสใกล้เคียงเนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพล-ไดโพล และเคมีภัณฑ์ การเปลี่ยนแปลงจะสร้างสเปกตรัมที่จำกัดตามช่วงเวลา (-b, b) โดยที่ b มีขนาดใหญ่กว่า a ประมาณสองเท่า ในการประมาณค่าครั้งแรก สเปกตรัม
- สาระสำคัญของปรากฏการณ์
ประการแรก ควรสังเกตว่าแม้ว่าชื่อของปรากฏการณ์นี้จะมีคำว่า "นิวเคลียร์" แต่ NMR ไม่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์นิวเคลียร์และไม่เกี่ยวข้องกับกัมมันตภาพรังสีแต่อย่างใด หากเราพูดถึงคำอธิบายที่เข้มงวด หากไม่มีกฎของกลศาสตร์ควอนตัมก็ไม่มีทางทำได้ ตามกฎหมายเหล่านี้ พลังงานปฏิสัมพันธ์ของแกนแม่เหล็กกับสนามแม่เหล็กภายนอกสามารถรับค่าที่แยกจากกันเพียงไม่กี่ค่าเท่านั้น หากนิวเคลียสแม่เหล็กได้รับการฉายรังสีด้วยสนามแม่เหล็กสลับความถี่ซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้ซึ่งแสดงเป็นหน่วยความถี่ จากนั้นนิวเคลียสแม่เหล็กจะเริ่มเคลื่อนที่จากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งในขณะที่ดูดซับพลังงานของการสลับกัน สนาม. นี่คือปรากฏการณ์ของการสั่นพ้องของสนามแม่เหล็ก คำอธิบายนี้ถูกต้องอย่างเป็นทางการแต่ไม่ชัดเจนนัก มีคำอธิบายอีกประการหนึ่งที่ไม่มีกลศาสตร์ควอนตัม แกนแม่เหล็กสามารถจินตนาการได้ว่าเป็นลูกบอลที่มีประจุไฟฟ้าหมุนรอบแกนของมัน (แม้ว่าจะพูดอย่างเคร่งครัด แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้น) ตามกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์ การหมุนของประจุทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก เช่น โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสซึ่งพุ่งไปตามแกนการหมุน หากโมเมนต์แม่เหล็กนี้ถูกวางไว้ในสนามภายนอกคงที่ เวกเตอร์ของโมเมนต์นี้จะเริ่มเคลื่อนที่ไปข้างหน้า นั่นคือ หมุนไปรอบทิศทางของสนามภายนอก ในทำนองเดียวกันแกนของส่วนบนจะหมุน (หมุน) ไปรอบแนวตั้งหากไม่ได้บิดในแนวตั้งอย่างเคร่งครัด แต่อยู่ในมุมที่แน่นอน ในกรณีนี้ บทบาทของสนามแม่เหล็กจะเล่นโดยแรงโน้มถ่วง
ความถี่พรีเซสชันถูกกำหนดโดยทั้งคุณสมบัติของนิวเคลียสและความแรงของสนามแม่เหล็ก ยิ่งสนามแรงมากเท่าใด ความถี่ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น จากนั้น หากนอกเหนือจากสนามแม่เหล็กภายนอกคงที่แล้ว แกนกลางยังได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กสลับ จากนั้นแกนกลางก็เริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับสนามนี้ - ดูเหมือนว่าจะแกว่งแกนแรงมากขึ้น แอมพลิจูดของพรีเซสชันจะเพิ่มขึ้น และแกนกลาง ดูดซับพลังงานจากสนามไฟฟ้ากระแสสลับ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขของการสั่นพ้องเท่านั้น กล่าวคือ ความบังเอิญของความถี่พรีเซสชั่นและความถี่ของสนามไฟฟ้ากระแสสลับภายนอก สิ่งนี้คล้ายกับตัวอย่างคลาสสิกจากฟิสิกส์ของโรงเรียน - ทหารเดินขบวนข้ามสะพาน หากความถี่ของขั้นบันไดตรงกับความถี่ธรรมชาติของสะพาน สะพานจะแกว่งมากขึ้นเรื่อยๆ จากการทดลองปรากฏการณ์นี้แสดงออกโดยการพึ่งพาการดูดกลืนของสนามสลับกับความถี่ของมัน ในช่วงเวลาของการสั่นพ้อง การดูดกลืนแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กที่ง่ายที่สุดจะมีลักษณะดังนี้:
- สเปกโทรสโกปีการแปลงฟูริเยร์
สเปกโตรมิเตอร์ NMR เครื่องแรกทำงานทุกประการตามที่อธิบายไว้ข้างต้น - ตัวอย่างถูกวางไว้ในสนามแม่เหล็กคงที่ และรังสีความถี่วิทยุถูกนำไปใช้อย่างต่อเนื่อง จากนั้นความถี่ของสนามแม่เหล็กสลับหรือความเข้มของสนามแม่เหล็กคงที่จะแปรผันอย่างราบรื่น การดูดกลืนพลังงานสนามสลับถูกบันทึกโดยสะพานความถี่วิทยุ ซึ่งเป็นสัญญาณที่ส่งออกไปยังเครื่องบันทึกหรือออสซิลโลสโคป แต่วิธีการบันทึกสัญญาณนี้ไม่ได้ใช้มานานแล้ว ในสเปกโตรมิเตอร์ NMR สมัยใหม่ สเปกตรัมจะถูกบันทึกโดยใช้พัลส์ โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสถูกกระตุ้นด้วยพัลส์อันทรงพลังสั้นๆ หลังจากนั้นสัญญาณที่เกิดขึ้นในคอยล์ RF โดยโมเมนต์แม่เหล็กที่อยู่ข้างหน้าอย่างอิสระจะถูกบันทึก สัญญาณนี้จะค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์เมื่อโมเมนต์แม่เหล็กกลับสู่สมดุล (กระบวนการนี้เรียกว่าการผ่อนคลายด้วยแม่เหล็ก) สเปกตรัม NMR ได้มาจากสัญญาณนี้โดยใช้การแปลงฟูริเยร์ นี่เป็นขั้นตอนทางคณิตศาสตร์มาตรฐานที่ช่วยให้คุณสามารถแยกสัญญาณใดๆ ให้เป็นฮาร์โมนิกความถี่ และทำให้ได้สเปกตรัมความถี่ของสัญญาณนี้ วิธีการบันทึกสเปกตรัมนี้ช่วยให้คุณลดระดับเสียงได้อย่างมากและทำการทดลองได้เร็วขึ้นมาก
จังหวะที่น่าตื่นเต้นอย่างหนึ่งในการบันทึกสเปกตรัมคือการทดลอง NMR ที่ง่ายที่สุด อย่างไรก็ตาม อาจมีพัลส์ที่มีระยะเวลา แอมพลิจูด ความล่าช้าต่างกัน ฯลฯ มากมายในการทดลอง ขึ้นอยู่กับประเภทของการปรับเปลี่ยนที่ผู้วิจัยต้องดำเนินการกับระบบโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม ลำดับพัลส์เหล่านี้เกือบทั้งหมดจะจบลงด้วยสิ่งเดียวกัน นั่นคือการบันทึกสัญญาณพรีเซสชั่นอิสระตามด้วยการแปลงฟูริเยร์
- ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กในสสาร
ตัวเรโซแนนซ์แม่เหล็กเองจะคงไม่มีอะไรมากไปกว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าสนใจ หากไม่ใช่เพราะปฏิกิริยาทางแม่เหล็กของนิวเคลียสที่มีต่อกันและกับเปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุล อันตรกิริยาเหล่านี้ส่งผลต่อพารามิเตอร์เรโซแนนซ์ และด้วยความช่วยเหลือ วิธี NMR จึงสามารถให้ข้อมูลที่หลากหลายเกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล เช่น การวางแนว โครงสร้างเชิงพื้นที่ (โครงสร้าง) อันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล การแลกเปลี่ยนทางเคมี การหมุนและพลศาสตร์การแปล ด้วยเหตุนี้ NMR จึงกลายเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังมากในการศึกษาสารในระดับโมเลกุล ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่ในฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังใช้ในด้านเคมีและอณูชีววิทยาเป็นหลัก ตัวอย่างของปฏิสัมพันธ์อย่างหนึ่งคือสิ่งที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมี สาระสำคัญมีดังนี้: เปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุลตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกและพยายามคัดกรอง - การคัดกรองสนามแม่เหล็กบางส่วนเกิดขึ้นในสารไดแม่เหล็กทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กในโมเลกุลจะแตกต่างจากสนามแม่เหล็กภายนอกในปริมาณที่น้อยมาก ซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมี อย่างไรก็ตามคุณสมบัติของเปลือกอิเล็กตรอนในส่วนต่างๆ ของโมเลกุลจะแตกต่างกัน และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีก็แตกต่างกันด้วย ดังนั้นเงื่อนไขการสั่นพ้องของนิวเคลียสในส่วนต่าง ๆ ของโมเลกุลก็จะแตกต่างกันเช่นกัน ทำให้สามารถแยกแยะนิวเคลียสที่ไม่เทียบเท่าทางเคมีในสเปกตรัมได้ ตัวอย่างเช่น หากเราใช้สเปกตรัมของนิวเคลียสไฮโดรเจน (โปรตอน) ของน้ำบริสุทธิ์ ก็จะมีเพียงเส้นเดียวเท่านั้น เนื่องจากโปรตอนทั้งสองในโมเลกุล H 2 O นั้นเหมือนกันทุกประการ แต่สำหรับเมทิลแอลกอฮอล์ CH 3 OH จะมีสเปกตรัมสองเส้นอยู่แล้ว (ถ้าเราละเลยปฏิกิริยาทางแม่เหล็กอื่น ๆ ) เนื่องจากมีโปรตอนสองประเภท - โปรตอนของกลุ่มเมทิล CH 3 และโปรตอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอมออกซิเจน เมื่อโมเลกุลมีความซับซ้อนมากขึ้น จำนวนเส้นก็จะเพิ่มขึ้น และถ้าเรานำโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมาเป็นโปรตีน ในกรณีนี้ สเปกตรัมจะมีลักษณะดังนี้:
- แกนแม่เหล็ก
NMR สามารถสังเกตได้บนนิวเคลียสที่แตกต่างกัน แต่ต้องบอกว่าไม่ใช่ทุกนิวเคลียสที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก มันมักจะเกิดขึ้นที่ไอโซโทปบางชนิดมีโมเมนต์แม่เหล็ก แต่ไอโซโทปอื่นๆ ของนิวเคลียสเดียวกันไม่มี โดยรวมแล้วมีองค์ประกอบทางเคมีต่าง ๆ มากกว่าร้อยไอโซโทปที่มีนิวเคลียสแม่เหล็ก แต่ในการวิจัยมักจะใช้นิวเคลียสแม่เหล็กไม่เกิน 1,520 นิวเคลียส อย่างอื่นก็แปลกใหม่ นิวเคลียสแต่ละนิวเคลียสมีอัตราส่วนลักษณะเฉพาะของสนามแม่เหล็กและความถี่พรีเซสชั่นของตัวเอง เรียกว่าอัตราส่วนไจโรแมกเนติก สำหรับนิวเคลียสทั้งหมดความสัมพันธ์เหล่านี้เป็นที่รู้จัก เมื่อใช้สิ่งเหล่านี้ คุณสามารถเลือกความถี่ที่จะสังเกตสัญญาณจากนิวเคลียสที่นักวิจัยต้องการภายใต้สนามแม่เหล็กที่กำหนด
นิวเคลียสที่สำคัญที่สุดสำหรับ NMR คือโปรตอน พวกมันมีความอุดมสมบูรณ์มากที่สุดในธรรมชาติและมีความไวสูงมาก นิวเคลียสของคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนมีความสำคัญมากสำหรับเคมีและชีววิทยา แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่ค่อยมีโชคนัก ไอโซโทปของคาร์บอนและออกซิเจนที่พบมากที่สุดคือ 12 C และ 16 O ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็ก โดยธรรมชาติ ไอโซโทปของไนโตรเจน 14 N มีช่วงเวลาหนึ่ง แต่ด้วยเหตุผลหลายประการทำให้ไม่สะดวกสำหรับการทดลอง มีไอโซโทป 13 C, 15 N และ 17 O ที่เหมาะสำหรับการทดลอง NMR แต่ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของพวกมันต่ำมากและความไวของพวกมันต่ำมากเมื่อเทียบกับโปรตอน ดังนั้น ตัวอย่างที่อุดมด้วยไอโซโทปพิเศษจึงมักถูกเตรียมไว้สำหรับการศึกษา NMR ซึ่งไอโซโทปธรรมชาติของนิวเคลียสเฉพาะจะถูกแทนที่ด้วยไอโซโทปที่จำเป็นสำหรับการทดลอง ในกรณีส่วนใหญ่ ขั้นตอนนี้จะยากและมีราคาแพงมาก แต่บางครั้งก็เป็นโอกาสเดียวที่จะได้รับข้อมูลที่จำเป็น
- อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกและเรโซแนนซ์สี่ขั้ว
เมื่อพูดถึง NMR คงไม่มีใครพลาดที่จะพูดถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกี่ยวข้องอีกสองปรากฏการณ์ ได้แก่ อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) และเรโซแนนซ์สี่เท่าของนิวเคลียร์ (NQR) โดยพื้นฐานแล้ว EPR นั้นคล้ายคลึงกับ NMR ความแตกต่างก็คือเสียงสะท้อนจะถูกสังเกต ณ โมเมนต์แม่เหล็ก ไม่ใช่ของนิวเคลียสของอะตอม แต่เป็นของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม EPR สามารถสังเกตได้เฉพาะในโมเลกุลหรือกลุ่มเคมีที่เปลือกอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่เรียกว่า unpaired อิเล็กตรอน จากนั้นเปลือกก็มีโมเมนต์แม่เหล็กที่ไม่เป็นศูนย์ สารดังกล่าวเรียกว่าพาราแมกเนติก EPR เช่น NMR ยังใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติเชิงโครงสร้างและไดนามิกต่างๆ ของสารในระดับโมเลกุล แต่ขอบเขตการใช้งานจะแคบลงอย่างมาก สาเหตุหลักมาจากการที่โมเลกุลส่วนใหญ่โดยเฉพาะในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตไม่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ ในบางกรณี คุณสามารถใช้สิ่งที่เรียกว่าโพรบพาราแมกเนติก ซึ่งก็คือกลุ่มเคมีที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ซึ่งจับกับโมเลกุลที่กำลังศึกษาอยู่ แต่แนวทางนี้มีข้อเสียอย่างเห็นได้ชัดซึ่งจำกัดความสามารถของวิธีนี้ นอกจากนี้ EPR ไม่มีความละเอียดสเปกตรัมสูง (เช่น ความสามารถในการแยกแยะเส้นหนึ่งจากอีกเส้นในสเปกตรัม) เช่นเดียวกับใน NMR
เป็นการยากที่สุดที่จะอธิบายธรรมชาติของ NQR “บนนิ้วมือ” นิวเคลียสบางตัวมีสิ่งที่เรียกว่าโมเมนต์ไฟฟ้าสี่เท่า ช่วงเวลานี้เป็นลักษณะการเบี่ยงเบนของการกระจายประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสจากสมมาตรทรงกลม ปฏิสัมพันธ์ของช่วงเวลานี้กับการไล่ระดับของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยโครงสร้างผลึกของสารนำไปสู่การแยกระดับพลังงานของนิวเคลียส ในกรณีนี้ เราสามารถสังเกตเสียงสะท้อนที่ความถี่ที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนระหว่างระดับเหล่านี้ได้ ต่างจาก NMR และ EPR ตรงที่ NQR ไม่ต้องการสนามแม่เหล็กภายนอก เนื่องจากการแยกระดับเกิดขึ้นโดยไม่มีสนามแม่เหล็ก NQR ยังใช้ในการศึกษาสารต่างๆ อีกด้วย แต่ขอบเขตการใช้งานยังแคบกว่า EPR อีกด้วย
- ข้อดีและข้อเสียของ NMR
NMR เป็นวิธีการศึกษาโมเลกุลที่ทรงพลังและให้ข้อมูลมากที่สุด พูดอย่างเคร่งครัด นี่ไม่ใช่วิธีเดียว แต่เป็นการทดลองประเภทต่างๆ จำนวนมาก กล่าวคือ ลำดับพัลส์ แม้ว่าการทดลองทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของ NMR แต่การทดลองแต่ละครั้งได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้ข้อมูลเฉพาะบางอย่าง จำนวนการทดลองเหล่านี้วัดเป็นหลายสิบหรือหลายร้อย ตามทฤษฎีแล้ว NMR สามารถทำได้ (หากไม่ใช่ทุกอย่าง) ก็แทบจะทุกอย่างที่วิธีการทดลองอื่นๆ เพื่อการศึกษาโครงสร้างและไดนามิกของโมเลกุลสามารถทำได้ แม้ว่าในทางปฏิบัติจะเป็นไปได้ แต่ก็ไม่เสมอไป ข้อดีหลักประการหนึ่งของ NMR ก็คือ ในทางหนึ่ง โพรบตามธรรมชาติของมัน เช่น นิวเคลียสแม่เหล็ก จะถูกกระจายไปทั่วโมเลกุล และในทางกลับกัน ก็ทำให้สามารถแยกแยะนิวเคลียสเหล่านี้ออกจากกันและรับข้อมูลการคัดเลือกเชิงพื้นที่ เกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล วิธีการอื่นๆ เกือบทั้งหมดให้ข้อมูลทั้งแบบเฉลี่ยทั่วทั้งโมเลกุลหรือเพียงบางส่วนเท่านั้น
NMR มีข้อเสียหลักสองประการ ประการแรก มีความไวต่ำเมื่อเทียบกับวิธีการทดลองอื่นๆ ส่วนใหญ่ (ออปติคัลสเปกโทรสโกปี การเรืองแสง ESR ฯลฯ) สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าในการที่จะเฉลี่ยสัญญาณรบกวนนั้นสัญญาณจะต้องสะสมเป็นเวลานาน ในบางกรณี การทดลอง NMR สามารถทำได้เป็นเวลาหลายสัปดาห์ด้วยซ้ำ ประการที่สองมันมีราคาแพง สเปกโตรมิเตอร์ NMR เป็นหนึ่งในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่มีราคาแพงที่สุด โดยมีราคาอย่างน้อยหลายแสนดอลลาร์ และสเปกโตรมิเตอร์ที่แพงที่สุดมีราคาหลายล้านดอลลาร์ ไม่ใช่ทุกห้องปฏิบัติการ โดยเฉพาะในรัสเซีย ที่สามารถมีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ดังกล่าวได้
- แม่เหล็กสำหรับสเปกโตรมิเตอร์ NMR
ส่วนที่สำคัญและมีราคาแพงที่สุดชิ้นหนึ่งของสเปกโตรมิเตอร์คือแม่เหล็ก ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ ยิ่งสนามแข็งแกร่งเท่าไร ความไวและความละเอียดสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงพยายามอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้สนามที่สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าในโซลินอยด์ - ยิ่งกระแสไฟฟ้าแรงเท่าไรสนามก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถเพิ่มกระแสได้อย่างไม่มีกำหนด เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงมาก ลวดโซลินอยด์ก็จะเริ่มละลาย ดังนั้น เป็นเวลานานมากที่สเปกโตรมิเตอร์ NMR สนามสูงได้ใช้แม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด เช่น แม่เหล็กที่ลวดโซลินอยด์อยู่ในสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวด ในกรณีนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของสายไฟเป็นศูนย์ และไม่มีการปล่อยพลังงานที่ค่าปัจจุบันใดๆ สถานะตัวนำยิ่งยวดสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก เพียงไม่กี่องศาเคลวิน ซึ่งเป็นอุณหภูมิของฮีเลียมเหลว (การนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงยังคงเป็นขอบเขตของการวิจัยขั้นพื้นฐานล้วนๆ) ด้วยการรักษาอุณหภูมิต่ำเช่นนี้จึงทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิคทั้งหมดในการออกแบบและการผลิตแม่เหล็กซึ่งทำให้มีราคาแพง แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดถูกสร้างขึ้นบนหลักการของ thermos-matryoshka โซลินอยด์จะอยู่ตรงกลางในห้องสุญญากาศ ล้อมรอบด้วยเปลือกที่บรรจุฮีเลียมเหลว เปลือกนี้ล้อมรอบด้วยเปลือกไนโตรเจนเหลวผ่านชั้นสุญญากาศ อุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวอยู่ที่ลบ 196 องศาเซลเซียส จำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนเพื่อให้แน่ใจว่าฮีเลียมจะระเหยได้ช้าที่สุด ในที่สุด เปลือกไนโตรเจนจะถูกแยกออกจากอุณหภูมิห้องโดยชั้นสุญญากาศภายนอก ระบบดังกล่าวสามารถรักษาอุณหภูมิที่ต้องการของแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดได้เป็นเวลานานมาก แม้ว่าจะต้องเติมไนโตรเจนเหลวและฮีเลียมลงในแม่เหล็กเป็นประจำก็ตาม ข้อดีของแม่เหล็กดังกล่าวนอกเหนือจากความสามารถในการรับสนามแม่เหล็กสูงแล้วก็คือไม่ใช้พลังงาน: หลังจากสตาร์ทแม่เหล็กแล้วกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านสายไฟตัวนำยิ่งยวดโดยไม่มีการสูญเสียเป็นเวลาหลายปี
- การตรวจเอกซเรย์
ในสเปกโตรมิเตอร์ NMR แบบทั่วไป พวกเขาพยายามทำให้สนามแม่เหล็กมีความสม่ำเสมอที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งจำเป็นในการปรับปรุงความละเอียดสเปกตรัม แต่ในทางกลับกัน หากสนามแม่เหล็กภายในตัวอย่างไม่เหมือนกันอย่างมาก จะทำให้เกิดความเป็นไปได้ใหม่โดยพื้นฐานสำหรับการใช้ NMR ความไม่สอดคล้องกันของสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยสิ่งที่เรียกว่าขดลวดไล่ระดับ ซึ่งทำงานควบคู่กับแม่เหล็กหลัก ในกรณีนี้ ขนาดของสนามแม่เหล็กในส่วนต่างๆ ของตัวอย่างจะแตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าสัญญาณ NMR ไม่สามารถสังเกตได้จากตัวอย่างทั้งหมด เช่นเดียวกับในสเปกโตรมิเตอร์ทั่วไป แต่เฉพาะจากชั้นแคบเท่านั้น ซึ่ง ตรงตามเงื่อนไขการสั่นพ้อง เช่น ความสัมพันธ์ที่ต้องการระหว่างสนามแม่เหล็กและความถี่ ด้วยการเปลี่ยนขนาดของสนามแม่เหล็ก (หรือความถี่ของการสังเกตสัญญาณ ซึ่งก็คือสิ่งเดียวกัน) คุณสามารถเปลี่ยนชั้นที่จะสร้างสัญญาณได้ ด้วยวิธีนี้ ทำให้สามารถ "สแกน" ตัวอย่างได้ตลอดปริมาตรทั้งหมด และ "ดู" โครงสร้างสามมิติภายในโดยไม่ทำลายตัวอย่างด้วยวิธีทางกลใดๆ ในปัจจุบัน มีการพัฒนาเทคนิคจำนวนมากที่ทำให้สามารถวัดพารามิเตอร์ NMR ต่างๆ ได้ (คุณลักษณะทางสเปกตรัม เวลาการคลายตัวของแม่เหล็ก อัตราการแพร่กระจายของตัวมันเอง และอื่นๆ) ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ภายในตัวอย่าง สิ่งที่น่าสนใจและสำคัญที่สุดจากมุมมองเชิงปฏิบัติพบว่าการประยุกต์ใช้การตรวจเอกซเรย์ NMR ในทางการแพทย์ ในกรณีนี้ “ตัวอย่าง” ที่กำลังศึกษาคือร่างกายมนุษย์ การถ่ายภาพด้วย NMR เป็นหนึ่งในเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัยที่สุด (แต่มีราคาแพง) ในสาขาการแพทย์ต่างๆ ตั้งแต่เนื้องอกวิทยาไปจนถึงสูติศาสตร์ เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าแพทย์ไม่ได้ใช้คำว่า "นิวเคลียร์" ในชื่อของวิธีนี้ เนื่องจากผู้ป่วยบางรายเชื่อมโยงกับปฏิกิริยานิวเคลียร์และระเบิดปรมาณู
- ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ
ปีแห่งการค้นพบ NMR ถือเป็นปี 1945 เมื่อชาวอเมริกัน เฟลิกซ์ โบลช จากสแตนฟอร์ด และเอ็ดเวิร์ด เพอร์เซลล์ และโรเบิร์ต ปอนด์ จากฮาร์วาร์ด ซึ่งเป็นอิสระจากเขา สังเกตเห็นสัญญาณ NMR บนโปรตอนเป็นครั้งแรก เมื่อถึงเวลานั้น เราทราบกันดีอยู่แล้วเกี่ยวกับธรรมชาติของแม่เหล็กนิวเคลียร์ ผลกระทบของ NMR นั้นได้รับการทำนายในทางทฤษฎีแล้ว และได้พยายามสังเกตปรากฏการณ์นี้หลายครั้ง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าหนึ่งปีก่อนหน้านี้ในสหภาพโซเวียตในคาซาน Evgeniy Zavoisky ค้นพบปรากฏการณ์ EPR ขณะนี้เป็นที่ทราบกันดีว่า Zavoisky ยังได้สังเกตการณ์สัญญาณ NMR ซึ่งเป็นช่วงก่อนสงครามในปี 1941 อย่างไรก็ตาม เขามีแม่เหล็กคุณภาพต่ำที่มีความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าต่ำ ผลลัพธ์จึงทำซ้ำได้ไม่ดี ดังนั้นจึงยังคงไม่ได้รับการเผยแพร่ หากพูดตามตรง ควรสังเกตว่า Zavoisky ไม่ใช่คนเดียวที่สังเกตเห็น NMR ก่อนที่จะค้นพบ "อย่างเป็นทางการ" โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Isidor Rabi นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน (ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1944 จากการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของนิวเคลียสในคานอะตอมและโมเลกุล) ยังได้สังเกตการณ์ NMR ในช่วงปลายทศวรรษที่ 30 แต่ก็ถือว่ามันเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีเครื่องมือ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ประเทศของเรายังคงรักษาลำดับความสำคัญในการตรวจจับด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กด้วยการทดลอง แม้ว่า Zavoisky เองจะเริ่มจัดการกับปัญหาอื่น ๆ ไม่นานหลังสงคราม แต่การค้นพบของเขามีบทบาทสำคัญในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ในคาซาน คาซานยังคงเป็นหนึ่งในศูนย์วิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกสำหรับสเปกโทรสโกปี EPR
- รางวัลโนเบล สาขาเครื่องสะท้อนสนามแม่เหล็ก
ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 มีการมอบรางวัลโนเบลหลายรางวัลให้กับนักวิทยาศาสตร์หากไม่มีผลงานการค้นพบ NMR ก็ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ หนึ่งในนั้นคือปีเตอร์ ซีมาน, ออตโต สเติร์น, อิซิดอร์ ราบี, โวล์ฟกัง เปาลี แต่มีรางวัลโนเบลสี่รางวัลที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับ NMR ในปี 1952 รางวัลนี้ตกเป็นของ Felix Bloch และ Edward Purcell สำหรับการค้นพบการสั่นพ้องของสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ นี่เป็นรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เพียงรางวัลเดียว “NMR” ในปี 1991 Richard Ernst ชาวสวิส ซึ่งทำงานใน ETH ที่มีชื่อเสียงในซูริก ได้รับรางวัลสาขาเคมี เขาได้รับรางวัลสำหรับการพัฒนาวิธี NMR สเปกโทรสโกปีหลายมิติ ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มเนื้อหาข้อมูลของการทดลอง NMR ได้อย่างมาก ในปี 2002 ผู้ชนะรางวัลสาขาเคมีเช่นกันคือ Kurt Wüthrich ซึ่งทำงานร่วมกับ Ernst ในอาคารใกล้เคียงที่โรงเรียนเทคนิคแห่งเดียวกัน เขาได้รับรางวัลจากการพัฒนาวิธีการกำหนดโครงสร้างสามมิติของโปรตีนในสารละลาย ก่อนหน้านี้ วิธีเดียวที่จะระบุโครงสร้างเชิงพื้นที่ของชีวโมเลกุลขนาดใหญ่คือการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ในที่สุด ในปี 2003 Paul Lauterbur ชาวอเมริกัน และ Peter Mansfield ชาวอังกฤษ ได้รับรางวัลทางการแพทย์จากการประดิษฐ์การตรวจเอกซเรย์ NMR อนิจจาผู้ค้นพบ EPR ของสหภาพโซเวียต E.K. Zavoisky ไม่ได้รับรางวัลโนเบล
วิธี NMR สเปกโทรสโกปีขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของนิวเคลียส นิวเคลียสของอะตอมมีประจุบวกและหมุนรอบแกนของพวกมัน การหมุนของประจุทำให้เกิดไดโพลแม่เหล็ก
โมเมนตัมเชิงมุมของการหมุน ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยเลขควอนตัมการหมุน (I) ค่าตัวเลขของเลขควอนตัมสปินเท่ากับผลรวมของจำนวนควอนตัมสปินของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมอยู่ในนิวเคลียส
หมายเลขควอนตัมสปินสามารถรับค่าได้
ถ้าจำนวนนิวคลีออนเป็นเลขคู่ ค่า I = 0 หรือจำนวนเต็ม เหล่านี้คือนิวเคลียส C 12, H 2, N 14 นิวเคลียสดังกล่าวไม่ดูดซับรังสีความถี่วิทยุและไม่สร้างสัญญาณใน NMR สเปกโทรสโกปี
I = ± 1/2 H 1 , P 31 , F 19 - ดูดซับรังสีความถี่วิทยุและสร้างสัญญาณสเปกตรัม NMR
I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - การกระจายประจุที่ไม่สมมาตรบนพื้นผิวของนิวเคลียส ซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของโมเมนต์สี่ขั้ว นิวเคลียสดังกล่าวไม่ได้ถูกศึกษาโดย NMR spectroscopy
PMR - สเปกโทรสโกปี
ค่าตัวเลขของ I (I = ±1/2) กำหนดจำนวนทิศทางที่เป็นไปได้ของนิวเคลียสในสนามแม่เหล็กภายนอกตามสูตร:
จากสูตรนี้ชัดเจนว่าจำนวนการวางแนวคือ 2
เพื่อที่จะเปลี่ยนโปรตอนที่อยู่ในระดับต่ำกว่าไปสู่ระดับที่สูงกว่านั้น จะต้องได้รับพลังงานเท่ากับความแตกต่างของพลังงานของระดับเหล่านี้ นั่นคือ ฉายรังสีด้วยการแผ่รังสีที่มีความบริสุทธิ์ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ความแตกต่างของระดับพลังงาน (ΔΕ) ขึ้นอยู่กับขนาดของสนามแม่เหล็กที่กำหนด (H 0) และลักษณะแม่เหล็กของนิวเคลียสซึ่งอธิบายโดยโมเมนต์แม่เหล็ก (μ) ค่านี้ถูกกำหนดโดยการหมุน:
, ที่ไหน
h – ค่าคงที่ของพลังค์
ขนาดของสนามแม่เหล็กภายนอก
γ – ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่เรียกว่าอัตราส่วนไจโรแมกเนติก เป็นตัวกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างเลขควอนตัมการหมุน I และโมเมนต์แม่เหล็ก μ
– สมการ NMR พื้นฐานโดยจะเชื่อมโยงขนาดของสนามแม่เหล็กภายนอก ธรรมชาติแม่เหล็กของนิวเคลียส และความบริสุทธิ์ของรังสี ซึ่งเป็นจุดที่การดูดซับพลังงานรังสีเกิดขึ้น และนิวเคลียสเคลื่อนที่ระหว่างระดับต่างๆ
จากบันทึกข้างต้น เป็นที่ชัดเจนว่าสำหรับนิวเคลียสโปรตอนเดียวกัน มีความสัมพันธ์ที่เข้มงวดระหว่างค่าของ H 0 และ μ
ตัวอย่างเช่น เพื่อให้โปรตอนนิวเคลียสในสนามแม่เหล็กภายนอก 14,000 เกาส์เคลื่อนที่ไปยังระดับแม่เหล็กที่สูงขึ้น พวกมันจะต้องได้รับการฉายรังสีด้วยความถี่ 60 MHz ถ้าสูงถึง 23,000 เกาส์ ดังนั้นการแผ่รังสีด้วยความถี่ จะต้องมี 100 MHz
ดังนั้น จากที่กล่าวมาข้างต้น ส่วนหลักของสเปกโตรมิเตอร์ NMR ควรเป็นแม่เหล็กอันทรงพลังและเป็นแหล่งกำเนิดรังสีความถี่วิทยุ
วางสารวิเคราะห์ไว้ในหลอดที่ทำจากแก้วชนิดพิเศษหนา 5 มม. เราวางหลอดบรรจุไว้ในช่องว่างของแม่เหล็ก เพื่อให้สนามแม่เหล็กภายในหลอดมีการกระจายสม่ำเสมอมากขึ้น โดยสนามแม่เหล็กจะหมุนรอบแกนของมัน โดยใช้ขดลวดคอยล์ การแผ่รังสีจะถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยการแผ่รังสีความถี่วิทยุ ความถี่ของรังสีนี้จะแปรผันในช่วงเล็กๆ ณ จุดหนึ่ง เมื่อความถี่สอดคล้องกับสมการ NMR สเปกโทรสโกปีทุกประการ การดูดกลืนพลังงานรังสีจะถูกสังเกตและโปรตอนจะปรับทิศทางการหมุนของพวกมันใหม่ การดูดกลืนพลังงานนี้จะถูกบันทึกโดยคอยล์รับในรูปแบบของจุดสูงสุดที่แคบ
ในสเปกโตรมิเตอร์บางรุ่น μ=const และในทางเดินเล็กๆ ค่าของ H 0 จะเปลี่ยนไป ในการลงทะเบียนสเปกตรัม จำเป็นต้องใช้สาร 0.4 มิลลิลิตร หากสารที่เป็นของแข็งละลายในสารละลายที่เหมาะสม จำเป็นต้องใช้สาร 10-50 มิลลิลิตร/กรัม
เพื่อให้ได้สเปกตรัมคุณภาพสูง จำเป็นต้องใช้สารละลายที่มีความเข้มข้น 10–20% ขีดจำกัดความไวของ NMR สอดคล้องกับ 5%
ในการเพิ่มความไวโดยใช้คอมพิวเตอร์ จะมีการสะสมสัญญาณเป็นเวลาหลายชั่วโมง ในขณะที่สัญญาณที่มีประโยชน์จะเพิ่มความเข้ม
ในการปรับปรุงเพิ่มเติมของเทคนิค NMR spectrodistribution เริ่มใช้การแปลงสัญญาณฟูริเยร์ ในกรณีนี้ ตัวอย่างจะไม่ถูกฉายรังสีด้วยความถี่ที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ แต่ด้วยการแผ่รังสีที่เชื่อมต่อความถี่ทั้งหมดไว้ในแพ็กเก็ตเดียว ในกรณีนี้ การแผ่รังสีของความถี่หนึ่งจะถูกดูดซับ และโปรตอนจะเคลื่อนที่ไปที่ระดับพลังงานด้านบน จากนั้นพัลส์สั้นจะถูกปิด และหลังจากนั้นโปรตอนที่ตื่นเต้นจะเริ่มสูญเสียพลังงานที่ถูกดูดซับและเคลื่อนไปยังระดับที่ต่ำกว่า ปรากฏการณ์พลังงานนี้จะถูกบันทึกโดยระบบเป็นชุดของพัลส์มิลลิวินาทีที่สลายไปตามกาลเวลา
ตัวทำละลายในอุดมคติคือสารที่ไม่มีโปรตอน ได้แก่ คาร์บอนเตตระคลอไรด์และคาร์บอนซัลเฟอร์ แต่สารบางชนิดไม่ละลายในสารละลายเหล่านี้ ดังนั้นตัวทำละลายใด ๆ ในโมเลกุลที่อะตอมของไอโซโทปแสง H1 จะถูกแทนที่ด้วยอะตอม ของดิวเทอเรียมไอโซโทปหนักถูกนำมาใช้ ความถี่ไอโซโทปต้องสอดคล้องกับ 99%
СDCl 3 – ดิวทีเรียม
ดิวเทอเรียมไม่สร้างสัญญาณในสเปกตรัม NMR การพัฒนาวิธีการเพิ่มเติมคือการใช้คอมพิวเตอร์ความเร็วสูงและการแปลงสัญญาณเพิ่มเติม ในกรณีนี้ แทนที่จะสแกนความถี่รังสีครั้งสุดท้าย การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นทันทีซึ่งมีความถี่ที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะถูกซ้อนทับบนตัวอย่าง ในกรณีนี้ การกระตุ้นนิวเคลียสทั้งหมดทันทีและการเปลี่ยนทิศทางของการหมุนจะเกิดขึ้น หลังจากที่ปิดการแผ่รังสี นิวเคลียสจะเริ่มปล่อยพลังงานและเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลง การระเบิดของพลังงานนี้กินเวลานานหลายวินาทีและประกอบด้วยชุดของพัลส์ไมโครวินาที ซึ่งระบบการบันทึกจะบันทึกในรูปแบบของส้อม
กระทรวงสาธารณสุขของสหพันธรัฐรัสเซีย
บทความเภสัชทั่วไป
สเปกโทรสโกปีของนิวเคลียร์ OFS.1.2.1.1.0007.15
เรโซแนนซ์แม่เหล็กแทน GFสิบสอง, ส่วนที่ 1,
อฟส.42-0046-07
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) เป็นวิธีการที่ใช้การดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่วิทยุโดยนิวเคลียสของตัวอย่างซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กไม่เป็นศูนย์ที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กคงที่ ( บี 0) ไอโซโทปของนิวเคลียสขององค์ประกอบที่มีมวลอะตอมคี่ (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P ฯลฯ) มีโมเมนต์แม่เหล็กที่ไม่เป็นศูนย์
หลักการทั่วไป
นิวเคลียสที่หมุนรอบแกนมีโมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง (โมเมนตัมเชิงมุมหรือการหมุน) ป. โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส μ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับการหมุน: μ = γ ∙ป(γ – สัมประสิทธิ์สัดส่วนหรืออัตราส่วนไจโรแมกเนติก) โมเมนต์เชิงมุมและโมเมนต์แม่เหล็กจะถูกหาปริมาณ เช่น สามารถเป็นหนึ่งใน 2 ฉัน+ 1 สถานะการหมุน ( ฉัน – หมุนหมายเลขควอนตัม). สถานะต่างๆ ของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสจะมีพลังงานเท่ากันหากไม่ได้ถูกกระทำโดยสนามแม่เหล็กภายนอก เมื่อวางนิวเคลียสไว้ในสนามแม่เหล็กภายนอก บี 0 ความเสื่อมของพลังงานของนิวเคลียสจะถูกกำจัดออกไป และความเป็นไปได้ที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง กระบวนการกระจายนิวเคลียสระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกันดำเนินไปตามกฎหมายการกระจายของโบลต์ซมันน์ และนำไปสู่การปรากฏของความสมดุลขนาดมหภาคตามยาวแม่เหล็ก ม z. ใช้เวลาในการสร้าง ม z หลังจากเปิดสนามแม่เหล็กภายนอก ใน 0 เรียกว่าเวลา ตามยาวหรือ หมุน—ขัดแตะ ผ่อนคลาย (ต 1) การกระจายสมดุลของนิวเคลียสถูกรบกวนภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กความถี่วิทยุ ( บี 1) ตั้งฉาก บี 0 ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมระหว่างระดับพลังงาน พร้อมด้วยการดูดซับพลังงาน (ปรากฏการณ์ เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์). ความถี่ ν 0 ซึ่งการดูดกลืนพลังงานของนิวเคลียสเกิดขึ้น ( ลาร์โมโรวาหรือ ความถี่การดูดกลืนแสงสะท้อน) จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับขนาดของสนามค่าคงที่ บี 0: ν 0 = γ บี 0 /2π. ในช่วงเวลาของการสั่นพ้อง ปฏิกิริยาระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์แต่ละโมเมนต์กับสนามจะเกิดขึ้น ใน 1 ซึ่งเอาท์พุตเป็นเวกเตอร์ ม z จากตำแหน่งสมดุลตามแนวแกน z. จึงปรากฏว่า การทำให้เป็นแม่เหล็กตามขวาง มเอ็กซ์ซี การเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนภายในระบบการหมุนนั้นมีลักษณะตามเวลา ขวางหรือ หมุนหมุน ผ่อนคลาย (ต 2).
การพึ่งพาความเข้มของการดูดซับพลังงานโดยนิวเคลียสประเภทหนึ่งกับความถี่ของสนามแม่เหล็กความถี่วิทยุที่ค่าคงที่ ใน 0 เรียกว่า สเปกตรัมหนึ่งมิติเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์เมล็ดพืชประเภทนี้ สามารถรับสเปกตรัม NMR ได้สองวิธี: โดยการฉายรังสีตัวอย่างอย่างต่อเนื่องด้วยสนามความถี่วิทยุที่มีความถี่ต่างกัน ส่งผลให้สเปกตรัม NMR ได้รับการบันทึกโดยตรง (สเปกโทรสโกปีการฉายรังสีต่อเนื่อง) หรือโดยการเปิดเผยตัวอย่างไปยังพัลส์ความถี่วิทยุสั้น ( สเปกโทรสโกปีพัลส์). สเปกโทรสโกปีแบบพัลส์ NMR ตรวจจับการแผ่รังสีที่สอดคล้องกันที่สลายไปตามกาลเวลาที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสเมื่อกลับสู่สถานะการหมุนเดิม ( สัญญาณการสลายตัวของการเหนี่ยวนำฟรี) ตามด้วยการแปลงมาตราส่วนเวลาเป็นความถี่ ( การแปลงฟูริเยร์).
ในโมเลกุล อิเล็กตรอนของอะตอมจะลดขนาดของสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีประสิทธิผล บี 0 ที่ตำแหน่งของแกนกลางเช่น ปรากฏตัวออกมา ป้องกันแม่เหล็ก:
บีลก = บี 0 ∙ (1 – σ)
บี lok – ความแรงของสนามผลลัพธ์
σ – ค่าคงที่การคัดกรอง
เรียกว่าความแตกต่างของความถี่เรโซแนนซ์ของสัญญาณนิวเคลียร์ซึ่งเท่ากับค่าความแตกต่างในค่าคงที่การคัดกรอง การเปลี่ยนแปลงทางเคมีสัญญาณที่ระบุด้วยสัญลักษณ์ δ วัดเป็นส่วนต่อล้าน (ppm) ปฏิกิริยาระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสผ่านพันธะเคมีอิเล็กตรอน ( ปฏิกิริยาระหว่างการหมุนและหมุน) ทำให้เกิดการแยกสัญญาณ NMR ( หลายหลากม). จำนวนส่วนประกอบในทวีคูณถูกกำหนดโดยการหมุนของนิวเคลียสและจำนวนนิวเคลียสที่มีปฏิสัมพันธ์ การวัดปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินและสปินคือ ค่าคงที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินและสปิน (เจวัดเป็นเฮิรตซ์ Hz) ค่า δ มและ เจไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของสนามแม่เหล็กคงที่
ความเข้มของสัญญาณ NMR ของนิวเคลียสในสเปกตรัมถูกกำหนดโดยจำนวนประชากรในระดับพลังงานของมัน ในนิวเคลียสที่มีไอโซโทปตามธรรมชาติอยู่นั้น สัญญาณที่รุนแรงที่สุดจะถูกสร้างขึ้นโดยนิวเคลียสของไฮโดรเจน ความเข้มของสัญญาณ NMR ยังได้รับผลกระทบจากเวลาผ่อนคลายตามยาว-ตามขวาง (ยาว ต 1 ส่งผลให้ความเข้มของสัญญาณลดลง)
ความกว้างของสัญญาณ NMR (ความแตกต่างระหว่างความถี่ที่ครึ่งหนึ่งของสัญญาณสูงสุด) ขึ้นอยู่กับ ต 1 และ ต 2. ครั้งเล็กๆ ต 1 และ ต 2 ทำให้เกิดสัญญาณสเปกตรัมที่กว้างและตีความได้ไม่ดี
ความไวของวิธี NMR (ความเข้มข้นสูงสุดของสารที่ตรวจพบได้) ขึ้นอยู่กับความเข้มของสัญญาณนิวเคลียร์ สำหรับนิวเคลียส 1 H ความไวคือ 10 -9 ۞ 10 -11 mol
ความสัมพันธ์ของพารามิเตอร์สเปกตรัมต่างๆ (เช่น การเลื่อนทางเคมีของนิวเคลียสที่แตกต่างกันภายในระบบโมเลกุลเดียวกัน) สามารถรับได้โดยวิธีโฮโมและเฮเทอโรนิวเคลียร์ในรูปแบบ 2 มิติหรือ 3 มิติ
อุปกรณ์
เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบพัลซ์ NMR (NMR spectrometer) ที่มีความละเอียดสูงประกอบด้วย:
- แม่เหล็กเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ บี 0 ;
- เซ็นเซอร์ควบคุมอุณหภูมิพร้อมตัวยึดตัวอย่างสำหรับส่งพัลส์ความถี่วิทยุและกำหนดหาการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากตัวอย่าง
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับสร้างพัลส์ความถี่วิทยุ บันทึก ขยาย และแปลงสัญญาณการสลายตัวแบบเหนี่ยวนำอิสระให้เป็นรูปแบบดิจิทัล
- อุปกรณ์สำหรับตั้งและปรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์
- อุปกรณ์รวบรวมและประมวลผลข้อมูล (คอมพิวเตอร์)
และอาจรวมถึง:
โฟลว์เซลล์สำหรับโครมาโตกราฟีของเหลวด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์หรือการวิเคราะห์โฟลว์อินเจคชัน
- ระบบการสร้างการไล่ระดับสนามแม่เหล็กแบบพัลซิ่ง
สนามแม่เหล็กแรงสูงถูกสร้างขึ้นโดยขดลวดตัวนำยิ่งยวดในขวด Dewar ที่เต็มไปด้วยฮีเลียมเหลว
ควรตรวจสอบการทำงานที่เหมาะสมของ NMR สเปกโตรมิเตอร์ เพื่อยืนยันสิ่งนี้ จึงมีการทดสอบที่เหมาะสม โดยปกติจะรวมถึงการวัดความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่ครึ่งหนึ่งของจุดสูงสุดภายใต้เงื่อนไขบางประการ ( การอนุญาต) ความสามารถในการทำซ้ำตำแหน่งสัญญาณและอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของสัญญาณเฉพาะในสเปกตรัม NMR และความผันผวนแบบสุ่มในพื้นที่ของสเปกตรัมที่ไม่มีสัญญาณจากเครื่องวิเคราะห์ ส/เอ็น) สำหรับสารผสมมาตรฐาน ซอฟต์แวร์สเปกโตรมิเตอร์ประกอบด้วยอัลกอริธึมในการพิจารณา เอส/เอ็น. ผู้ผลิตเครื่องมือทุกรายจะจัดเตรียมข้อกำหนดและแนวทางปฏิบัติสำหรับการวัดพารามิเตอร์เหล่านี้
NMR สเปกโทรสโกปีของตัวอย่างในสารละลาย
ระเบียบวิธี
ตัวอย่างทดสอบจะถูกละลายในตัวทำละลายซึ่งอาจเติมมาตรฐานที่เหมาะสมเพื่อสอบเทียบการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ตามที่ระบุไว้ในเอกสารกำกับดูแล ค่าของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสัมพัทธ์ของนิวเคลียสของสาร (δ in) ถูกกำหนดโดยนิพจน์ต่อไปนี้:
δ ปริมาณ = (ปริมาณ ν – ν มาตรฐาน)/ν อุปกรณ์
ν in-in – ความถี่เรโซแนนซ์ของนิวเคลียสของสาร, Hz;
ν มาตรฐาน – ความถี่เรโซแนนซ์ของแกนมาตรฐาน, Hz;
ν ของอุปกรณ์คือความถี่การทำงานของ NMR สเปกโตรมิเตอร์ (ความถี่ที่เงื่อนไขการเรโซแนนซ์ของนิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นไปตามที่กำหนด บี 0 , เมกะเฮิรตซ์)
สำหรับสารละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสเปกตรัม 1 H และ 13 C จะถูกวัดโดยสัมพันธ์กับสัญญาณเตตราเมทิลไซเลน ซึ่งตำแหน่งจะเป็น 0 ppm การเปลี่ยนแปลงทางเคมีจะถูกนับไปยังสนามอ่อน (ทางซ้าย) จากสัญญาณเตตระเมทิลไซเลน (เดลต้า - ระดับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี) สำหรับสารละลายที่เป็นน้ำ โซเดียม 2,2-ไดเมทิล-2-ไซเลนเพนเทน-5-ซัลโฟเนตถูกใช้เป็นมาตรฐานในสเปกตรัม 1 H NMR ซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของโปรตอนของกลุ่มเมทิลคือ 0.015 ppm สำหรับสเปกตรัม 13 C ของสารละลายในน้ำ จะใช้ไดออกเซนเป็นมาตรฐาน โดยมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอยู่ที่ 67.4 ppm
เมื่อทำการสอบเทียบสเปกตรัม 19 F จะใช้กรดไตรฟลูออโรอะซิติกหรือไตรคลอโรฟลูออโรมีเทนเป็นมาตรฐานหลักโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี สเปกตรัม 31 P – สารละลาย 85% ของกรดออร์โธฟอสฟอริกหรือไตรเมทิลฟอสเฟต สเปกตรัม 15 N – ไนโตรมีเทนหรือสารละลายแอมโมเนียอิ่มตัว โดยทั่วไป 1 H และ 13 C NMR จะใช้มาตรฐานภายในที่เพิ่มลงในตัวอย่างทดสอบโดยตรง 15 N, 19 F และ 31 P NMR มักใช้มาตรฐานภายนอก ซึ่งแยกเก็บไว้ในท่อทรงกระบอกโคแอกเชียลหรือคาปิลลารี
เมื่ออธิบายสเปกตรัม NMR จำเป็นต้องระบุตัวทำละลายที่สารละลายและความเข้มข้นของสารนั้น ของเหลวเคลื่อนที่ได้สูงถูกใช้เป็นตัวทำละลาย โดยอะตอมไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมดิวทีเรียม เพื่อลดความเข้มของสัญญาณตัวทำละลาย ตัวทำละลายดิวเทอเรตถูกเลือกตามเกณฑ์ต่อไปนี้:
- 1) ความสามารถในการละลายของสารประกอบทดสอบในนั้น
- 2) ไม่มีการทับซ้อนกันของสัญญาณของโปรตอนที่ตกค้างของตัวทำละลายดิวเทอเรตกับสัญญาณของสารประกอบทดสอบ
- 3) ไม่มีอันตรกิริยาระหว่างตัวทำละลายและสารประกอบทดสอบ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น
อะตอมของตัวทำละลายจะสร้างสัญญาณที่ระบุได้ง่ายจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี และสามารถใช้เพื่อสอบเทียบแกนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี (มาตรฐานรอง) การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสัญญาณของโปรตอนที่ตกค้างของตัวทำละลายดิวเทอเรตมีค่าต่อไปนี้ (ppm): คลอโรฟอร์ม - 7.26; เบนซิน - 7.16; น้ำ - 4.7; เมทานอล -3.35 และ 4.78; ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ - 2.50; อะซิโตน - 2.05; ตำแหน่งของสัญญาณน้ำและโปรตอนของกลุ่มไฮดรอกซิลของแอลกอฮอล์ขึ้นอยู่กับค่า pH ของตัวกลางและอุณหภูมิ
สำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณ สารละลายต้องไม่มีอนุภาคที่ไม่ละลายน้ำ การวัดปริมาณบางอย่างอาจต้องมีการเพิ่มมาตรฐานภายในเพื่อเปรียบเทียบความเข้มของตัวอย่างทดสอบกับตัวอย่างมาตรฐาน ต้องระบุตัวอย่างมาตรฐานที่เกี่ยวข้องและความเข้มข้นของตัวอย่างดังกล่าวในเอกสารกำกับดูแล หลังจากวางตัวอย่างในหลอดทดลองและปิดฝาแล้ว ตัวอย่างจะถูกใส่เข้าไปในแม่เหล็กของ NMR สเปกโตรมิเตอร์ จากนั้นพารามิเตอร์การทดสอบจะถูกตั้งค่า (การตั้งค่า พารามิเตอร์การลงทะเบียน การแปลงสัญญาณการสลายตัวแบบเหนี่ยวนำอิสระให้เป็นดิจิทัล) พารามิเตอร์การทดสอบหลักที่ระบุในเอกสารกำกับดูแลจะถูกบันทึกหรือจัดเก็บไว้ในคอมพิวเตอร์
เพื่อป้องกันการเบี่ยงเบนของสเปกตรัมเมื่อเวลาผ่านไป ให้ทำตามขั้นตอนการทำให้เสถียร (ดิวทีเรียมล็อค) โดยใช้สัญญาณดิวทีเรียมที่เกิดจากตัวทำละลายดิวทีเรียม เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น อุปกรณ์ได้รับการปรับเพื่อให้ได้สภาวะเรโซแนนซ์และอัตราส่วนสูงสุดที่เหมาะสมที่สุด เอส/เอ็น(ส่องแสง).
ในระหว่างการทดสอบ เป็นไปได้ที่จะดำเนินการหลายลำดับของวงจร "พัลส์ - การเก็บข้อมูล - หยุดชั่วคราว" ตามด้วยการรวมสัญญาณการสลายตัวของการเหนี่ยวนำอิสระแต่ละตัวและการเฉลี่ยของระดับเสียง เวลาหน่วงระหว่างลำดับพัลส์ ซึ่งในระหว่างนั้นระบบการหมุนของนิวเคลียสจะคืนค่าความเป็นแม่เหล็ก ( ดี 1) สำหรับการวัดเชิงปริมาณจะต้องเกินเวลาผ่อนคลายตามยาว ต 1: ดี 1 ≥ 5 ต 1. ซอฟต์แวร์สเปกโตรมิเตอร์ประกอบด้วยอัลกอริธึมในการพิจารณา ต 1. หากมีค่า ต 1 ไม่ทราบ ขอแนะนำให้ใช้ค่า ดี 1 = 25 วินาที
หลังจากการแปลงฟูริเยร์ สัญญาณในการแสดงความถี่จะถูกปรับเทียบตามมาตรฐานที่เลือก และความเข้มสัมพัทธ์ของสัญญาณจะถูกวัดโดยการอินทิเกรต ซึ่งเป็นการวัดอัตราส่วนของพื้นที่ของสัญญาณเรโซแนนซ์ ในสเปกตรัม 13 C จะมีการรวมเฉพาะสัญญาณประเภทเดียวกันเท่านั้น ความแม่นยำในการรวมสัญญาณขึ้นอยู่กับอัตราส่วน สัญญาณ – เสียงรบกวน (ส/ไม่มี):
ที่ไหน ยู(ฉัน) – ความไม่แน่นอนของการบูรณาการมาตรฐาน
จำนวนการสะสมการสลายตัวด้วยการเหนี่ยวนำอิสระที่จำเป็นเพื่อให้ได้อัตราส่วนที่น่าพอใจ ส/ เอ็นจะต้องระบุไว้ในเอกสารกำกับดูแล
นอกเหนือจากมิติเดียวแล้ว สเปกตรัมสหสัมพันธ์สองมิติแบบโฮโมและเฮเทอโรนิวเคลียร์ตามลำดับพัลส์บางอย่าง (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE ฯลฯ ) ถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ ในสเปกตรัมสองมิติ ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสจะปรากฏในรูปแบบของสัญญาณที่เรียกว่าพีคครอส ตำแหน่งของยอดกากบาทถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของนิวเคลียสที่มีปฏิสัมพันธ์กันทั้งสอง ควรใช้สเปกตรัมสองมิติเพื่อกำหนดองค์ประกอบของสารผสมและสารสกัดที่ซับซ้อนเพราะว่า ความน่าจะเป็นของการทับซ้อนของสัญญาณ (cross-peaks) ในสเปกตรัมสองมิตินั้นต่ำกว่าความน่าจะเป็นของการทับซ้อนของสัญญาณในสเปกตรัมหนึ่งมิติอย่างมีนัยสำคัญ
เพื่อให้ได้สเปกตรัมของเฮเทอโรนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว (13 C, 15 N เป็นต้น) จึงใช้วิธีการ (HSQC, HMBC) ซึ่งทำให้สามารถรับสเปกตรัมของนิวเคลียสอื่นบนนิวเคลียส 1 H โดยใช้กลไกปฏิสัมพันธ์ของเฮเทอโรนิวเคลียร์
เทคนิค DOSY ซึ่งมีพื้นฐานมาจากการบันทึกการสูญเสียการเชื่อมโยงกันของเฟสของการหมุนของนิวเคลียสเนื่องจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับของสนามแม่เหล็ก ช่วยให้เราได้รับสเปกตรัมของสารประกอบแต่ละตัว (การแยกสเปกตรัม) ในส่วนผสมโดยไม่ต้องมีการแยกทางกายภาพและ กำหนดขนาด องศาการรวมตัว และน้ำหนักโมเลกุลของวัตถุโมเลกุล (โมเลกุล) โมเลกุลขนาดใหญ่ เชิงซ้อนของโมเลกุล ระบบเหนือโมเลกุล)
พื้นที่ใช้งาน
ข้อมูลเชิงโครงสร้างและการวิเคราะห์ที่หลากหลายที่มีอยู่ในสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ทำให้สามารถใช้วิธีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์สำหรับการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณได้ การใช้สเปกโตรสโคปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ในการวิเคราะห์เชิงปริมาณจะขึ้นอยู่กับสัดส่วนโดยตรงของความเข้มข้นของโมลาร์ของนิวเคลียสที่มีฤทธิ์แม่เหล็กกับความเข้มรวมของสัญญาณการดูดกลืนแสงที่สอดคล้องกันในสเปกตรัม
- การสร้างความถูกต้องของสารออกฤทธิ์. การระบุตัวตนของสารออกฤทธิ์ดำเนินการโดยการเปรียบเทียบสเปกตรัมของตัวอย่างทดสอบกับสเปกตรัมของตัวอย่างมาตรฐานหรือกับสเปกตรัมอ้างอิงที่เผยแพร่ สเปกตรัมของตัวอย่างมาตรฐานและตัวอย่างทดสอบจะต้องได้รับโดยใช้เทคนิคและเงื่อนไขเดียวกัน จุดสูงสุดในสเปกตรัมที่เปรียบเทียบจะต้องตรงกันในตำแหน่ง (ค่าเบี่ยงเบน δ การทดสอบและตัวอย่างมาตรฐานภายใน ± 0.1 ppm สำหรับเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ 1 N และ ± 0.5 ppm สำหรับเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ 13 C) ความเข้มรวมและหลายหลากซึ่งควรให้ค่าเมื่ออธิบายสเปกตรัม ในกรณีที่ไม่มีตัวอย่างมาตรฐาน ก็สามารถใช้ตัวอย่างมาตรฐานทางเภสัชตำรับได้ ซึ่งการยืนยันตัวตนของตัวอย่างจะได้รับการยืนยันโดยการตีความโครงสร้างอิสระของข้อมูลสเปกตรัมและวิธีการทางเลือก
เมื่อยืนยันความถูกต้องของตัวอย่างขององค์ประกอบที่ไม่ใช่ปริมาณสัมพันธ์ (เช่น โพลีเมอร์ธรรมชาติที่มีองค์ประกอบแปรผัน) อนุญาตให้มีความคลาดเคลื่อนระหว่างจุดสูงสุดของการทดสอบกับตัวอย่างมาตรฐานในตำแหน่งและความเข้มของสัญญาณรวม สเปกตรัมที่เปรียบเทียบจะต้องคล้ายกันนั่นคือ มีพื้นที่สัญญาณลักษณะเหมือนกันซึ่งยืนยันความบังเอิญขององค์ประกอบส่วนของการทดสอบและตัวอย่างมาตรฐาน
เพื่อสร้างความถูกต้องของส่วนผสมของสาร (สารสกัด) คุณสามารถใช้สเปกตรัม NMR หนึ่งมิติโดยรวมเป็น "ลายนิ้วมือ" ของวัตถุ โดยไม่ต้องให้รายละเอียดเกี่ยวกับค่า δ และความหลากหลายของสัญญาณแต่ละสัญญาณ ในกรณีของการใช้สเปกโทรสโกปี NMR แบบสองมิติ เมื่ออธิบายสเปกตรัม (ชิ้นส่วนสเปกตรัม) ที่อ้างว่ามีความถูกต้อง ควรระบุค่าของครอสพีค
- การระบุสิ่งปนเปื้อนจากต่างประเทศ/ตัวทำละลายอินทรีย์ที่ตกค้าง. การระบุสิ่งเจือปนจากต่างประเทศ/ตัวทำละลายอินทรีย์ที่ตกค้างดำเนินการในลักษณะเดียวกับการระบุความถูกต้องของสารออกฤทธิ์ โดยทำให้ข้อกำหนดด้านความไวและความละเอียดดิจิทัลเข้มงวดยิ่งขึ้น
- การกำหนดปริมาณสิ่งเจือปนจากต่างประเทศ/ตัวทำละลายอินทรีย์ที่ตกค้างโดยสัมพันธ์กับสารออกฤทธิ์วิธี NMR เป็นวิธีการสัมบูรณ์โดยตรงในการกำหนดอัตราส่วนโมลของสารออกฤทธิ์และสารประกอบเจือปน ( n/nส่วนผสม):
ที่ไหน ส‘ และ ส‘ สิ่งเจือปน – ค่าปกติของความเข้มของสัญญาณอินทิกรัลของสารออกฤทธิ์และสิ่งเจือปน
การทำให้เป็นมาตรฐานจะดำเนินการตามจำนวนนิวเคลียสในส่วนโครงสร้างที่กำหนดสัญญาณที่วัดได้
เศษส่วนมวลของสิ่งเจือปน/ตัวทำละลายอินทรีย์ตกค้างที่สัมพันธ์กับสารออกฤทธิ์ ( เอ็กซ์ฯลฯ) ถูกกำหนดโดยสูตร:
ม pr คือน้ำหนักโมเลกุลของสิ่งเจือปน
ม– น้ำหนักโมเลกุลของสารออกฤทธิ์
ส‘ pr – ค่าปกติของความเข้มรวมของสัญญาณสิ่งเจือปน
เอส'– ค่าปกติของความเข้มของสัญญาณอินทิกรัลของสารออกฤทธิ์
- การกำหนดปริมาณของสาร (สารออกฤทธิ์ สิ่งเจือปน/ตัวทำละลายตกค้าง) ในสารทางเภสัชกรรม. เนื้อหาสารสัมบูรณ์ ในสารทางเภสัชกรรมจะถูกกำหนดโดยวิธีมาตรฐานภายใน ซึ่งจะมีการเลือกสารซึ่งมีสัญญาณใกล้เคียงกับสัญญาณของสารที่กำหนดโดยไม่ทับซ้อนกับสัญญาณเหล่านั้น ความเข้มของสัญญาณของเครื่องวิเคราะห์และมาตรฐานไม่ควรแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ
เปอร์เซ็นต์ของสารวิเคราะห์ในตัวอย่างทดสอบในรูปของวัตถุแห้ง ( เอ็กซ์,% มวล) คำนวณโดยใช้สูตร:
เอ็กซ์,% มวล = 100 ∙ ( ส‘ /ส‘ 0) ∙ (ม ∙ ก 0 /ม 0 ∙ ก) ∙ ,
เอส'– ค่าที่ทำให้เป็นมาตรฐานของความเข้มของสัญญาณอินทิกรัลของเครื่องวิเคราะห์
ส‘ 0 – ค่าปกติของความเข้มรวมของสัญญาณมาตรฐาน
ม– น้ำหนักโมเลกุลของสารที่ถูกกำหนด
ม 0 – น้ำหนักโมเลกุล;
ก– ตัวอย่างที่ชั่งน้ำหนักของตัวอย่างทดสอบ
0– ส่วนที่ชั่งน้ำหนักของสารมาตรฐาน
ว- ปริมาณความชื้น, %
สารประกอบต่อไปนี้สามารถใช้เป็นสารมาตรฐานได้: กรดมาลิก (2H; 6.60 ppm, ม= 116.07), เบนซิล เบนโซเอต (2H; 5.30 ppm, ม= 212.25), กรดมาโลนิก (2H; 3.30 ppm, ม= 104.03), ซัคซินิไมด์ (4H; 2.77 ppm, ม= 99.09), อะซีตานิไลด์ (3H; 2.12 ppm, ม = 135,16), ถู-บิวทานอล (9H; 1.30 ppm, ม = 74,12).
เนื้อหาสารสัมพันธ์สัดส่วนของส่วนประกอบในส่วนผสมของส่วนประกอบของสารทางเภสัชกรรมถูกกำหนดโดยวิธีการทำให้เป็นมาตรฐานภายในอย่างไร โมลนายา ( เอ็กซ์โมล) และมวล ( เอ็กซ์มวล) เศษส่วนของส่วนประกอบ ฉันในส่วนผสม nสารถูกกำหนดโดยสูตร:
- การกำหนดน้ำหนักโมเลกุลของโปรตีนและโพลีเมอร์. น้ำหนักโมเลกุลของโปรตีนและโพลีเมอร์ถูกกำหนดโดยการเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ของพวกมันกับการเคลื่อนที่ของสารประกอบมาตรฐานที่ทราบน้ำหนักโมเลกุลโดยใช้เทคนิค DOSY วัดค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายตนเอง ( ดี) การทดสอบและตัวอย่างมาตรฐาน พล็อตการพึ่งพาลอการิทึมของน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบมาตรฐานบนลอการิทึม ดี. เมื่อใช้กราฟที่ได้รับในลักษณะนี้ น้ำหนักโมเลกุลที่ไม่ทราบของตัวอย่างทดสอบจะถูกกำหนดโดยการถดถอยเชิงเส้น ต้องให้คำอธิบายแบบเต็มของการทดลอง DOSY ไว้ในเอกสารกำกับดูแล
NMR สเปกโทรสโกปีของของแข็ง
ตัวอย่างโซลิดสเตตได้รับการวิเคราะห์โดยใช้สเปกโตรมิเตอร์ NMR ที่มีอุปกรณ์พิเศษ การดำเนินการทางเทคนิคบางอย่าง (การหมุนตัวอย่างที่เป็นผงในโรเตอร์โดยเอียงที่มุมมหัศจรรย์ (54.7°) กับแกนของสนามแม่เหล็ก ใน 0, การจับคู่แรง, การถ่ายโอนโพลาไรเซชันจากนิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นได้ง่ายไปยังนิวเคลียสที่มีโพลาไรซ์น้อยกว่า - โพลาไรซ์แบบข้าม) ทำให้สามารถรับสเปกตรัมของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ที่มีความละเอียดสูง ต้องระบุคำอธิบายขั้นตอนทั้งหมดไว้ในเอกสารกำกับดูแล พื้นที่หลักของการประยุกต์ใช้สเปกโทรสโกปี NMR ประเภทนี้คือการศึกษาความหลากหลายของยาที่เป็นของแข็ง
สเปกโทรสโกปีด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดในการอธิบายโครงสร้างของสารอินทรีย์ ในสเปกโทรสโกปีประเภทนี้ ตัวอย่างที่กำลังศึกษาจะถูกวางไว้ในสนามแม่เหล็กและฉายรังสีด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่วิทยุ
(คลิกเพื่อดูภาพสแกน)
ข้าว. 11-13. โปรตอนในสนามแม่เหล็ก: a - ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก; b - ในสนามแม่เหล็กภายนอก c - ในสนามแม่เหล็กภายนอกหลังจากการดูดซับรังสีความถี่วิทยุ (การหมุนจะใช้ระดับพลังงานที่สูงกว่า)
รังสี อะตอมไฮโดรเจนในส่วนต่างๆ ของโมเลกุลจะดูดซับรังสีที่มีความยาวคลื่น (ความถี่) ต่างกัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อะตอมอื่นๆ ก็สามารถดูดซับรังสีความถี่วิทยุได้เช่นกัน แต่เราจะจำกัดตัวเองให้พิจารณาสเปกโทรสโกปีของอะตอมไฮโดรเจนว่าเป็นสเปกโทรสโกปี NMR ชนิดที่สำคัญที่สุดและพบได้ทั่วไป
นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว โปรตอนนี้หมุนรอบแกนของมัน และเหมือนกับวัตถุที่มีประจุที่หมุนอยู่อื่นๆ ก็คือแม่เหล็ก ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก การหมุนของโปรตอนจะถูกวางแบบสุ่ม แต่ในสนามแม่เหล็กจะมีการหมุนได้เพียงสองทิศทางเท่านั้น (รูปที่ 11-13) ซึ่งเรียกว่าสถานะการหมุน สถานะการหมุนซึ่งโมเมนต์แม่เหล็ก (แสดงโดยลูกศร) จะถูกวางตามแนวสนามแม่เหล็กจะมีพลังงานต่ำกว่าสถานะการหมุนเล็กน้อยซึ่งโมเมนต์แม่เหล็กจะวางตัวอยู่กับสนามเล็กน้อย ความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะการหมุนทั้งสองนั้นสอดคล้องกับพลังงานของโฟตอนของการแผ่รังสีความถี่วิทยุ เมื่อรังสีนี้ส่งผลต่อตัวอย่างที่กำลังศึกษา โปรตอนจะเคลื่อนที่จากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับที่สูงขึ้น และพลังงานจะถูกดูดซับ
อะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลอยู่ในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่แตกต่างกัน บางส่วนเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเมทิล บางส่วนเชื่อมต่อกับอะตอมออกซิเจนหรือวงแหวนเบนซีน บางส่วนอยู่ติดกับพันธะคู่ เป็นต้น ความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ ในสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์นี้เพียงพอที่จะเปลี่ยนความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะการหมุน และด้วยเหตุนี้ ความถี่ของรังสีที่ถูกดูดกลืน
สเปกตรัม NMR เกิดขึ้นจากการดูดซับรังสีความถี่วิทยุโดยสสารที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก NMR สเปกโทรสโกปีทำให้สามารถแยกแยะระหว่างอะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลที่อยู่ในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่แตกต่างกันได้
สเปกตรัม NMR
เมื่อสแกนความถี่การแผ่รังสีที่ค่าความถี่ที่กำหนดจะสังเกตการดูดกลืนรังสีโดยอะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุล ค่าเฉพาะของความถี่การดูดกลืนขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมของอะตอม
ข้าว. 11-14. สเปกตรัม NMR ทั่วไป: a - สเปกตรัม; b - เส้นโค้งอินทิกรัลที่ให้พื้นที่พีค
ไฮโดรเจน เมื่อรู้ว่าจุดดูดกลืนแสงของอะตอมไฮโดรเจนบางประเภทอยู่บริเวณใดของสเปกตรัม จึงเป็นไปได้ที่จะสรุปข้อสรุปบางประการเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลได้ ในรูป รูปที่ 11-14 แสดงสเปกตรัม NMR ทั่วไปของสารซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนอยู่สามประเภท ตำแหน่งของสัญญาณบนมาตราส่วนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี 5 วัดเป็นส่วนในล้านส่วน (ppm) ของความถี่วิทยุ โดยปกติแล้วสัญญาณทั้งหมดจะอยู่ในพื้นที่ในรูป 11-14 การเคลื่อนตัวทางเคมีของสัญญาณคือ 1.0, 3.5 และด้านขวาของสเปกตรัมเรียกว่าบริเวณสนามสูงและด้านซ้ายเรียกว่าบริเวณสนามต่ำ ในสเปกตรัม NMR โดยทั่วไปแล้วจุดสูงสุดจะแสดงขึ้นแทนที่จะชี้ลง ดังเช่นในสเปกตรัม IR
ในการตีความสเปกตรัมและรับข้อมูลเชิงโครงสร้างจากสเปกตรัมนั้น พารามิเตอร์สเปกตรัมสามประเภทมีความสำคัญ:
1) ตำแหน่งของสัญญาณในระดับ - (ระบุลักษณะของอะตอมไฮโดรเจน)
2) พื้นที่สัญญาณ (แสดงลักษณะจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในประเภทที่กำหนด)
3) หลายหลาก (รูปร่าง) ของสัญญาณ (ระบุลักษณะจำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ใกล้เคียงประเภทอื่น)
ลองมาดูพารามิเตอร์เหล่านี้ให้ละเอียดยิ่งขึ้นโดยใช้ตัวอย่างสเปกตรัมของคลอโรอีเทน (รูปที่ 11-15) ก่อนอื่น มาดูตำแหน่งของสัญญาณในสเปกตรัมหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือค่าของการเปลี่ยนแปลงทางเคมี สัญญาณ a (โปรตอนของหมู่อยู่ที่ 1.0 ppm ซึ่ง
ข้าว. 11-15. สเปกตรัม NMR ของคลอโรอีเทน
(ดูการสแกน)
บ่งชี้ว่าอะตอมไฮโดรเจนเหล่านี้ไม่ได้อยู่ติดกับอะตอมอิเล็กโทรเนกาติวิตีในขณะที่การเคลื่อนตัวของสัญญาณ b (โปรตอนของหมู่ ) คือ ค่าการเคลื่อนตัวทางเคมีของกลุ่มที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งจะต้องจดจำในลักษณะเดียวกับความถี่ของ แถบการดูดกลืนแสงในสเปกตรัม IR การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สำคัญที่สุดแสดงไว้ในตาราง 11-2.
จากนั้นเราวิเคราะห์พื้นที่ของยอดเขาซึ่งเป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในประเภทที่กำหนด ในรูป พื้นที่สัมพัทธ์ 11-15 ระบุด้วยตัวเลขในวงเล็บ พวกมันถูกกำหนดโดยใช้เส้นโค้งอินทิกรัลที่อยู่เหนือสเปกตรัม พื้นที่สัญญาณเป็นสัดส่วนกับความสูงของ “ขั้น” ของเส้นโค้งอินทิกรัล ในสเปกตรัมที่กำลังอภิปราย อัตราส่วนของพื้นที่สัญญาณคือ 2:3 ซึ่งสอดคล้องกับอัตราส่วนของจำนวนโปรตอนเมทิลีนต่อจำนวนโปรตอนเมทิล
สุดท้าย ให้พิจารณารูปร่างหรือโครงสร้างของสัญญาณ ซึ่งมักเรียกว่าหลายหลาก สัญญาณกลุ่มเมทิลคือทริปเปิล (สามพีค) ในขณะที่สัญญาณกลุ่มเมทิลีนคือสี่พีค (สี่) การคูณจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับจำนวนอะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกพันธะกับอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกัน จำนวนพีคในทวีคูณจะมากกว่าจำนวนอะตอมไฮโดรเจนของอะตอมคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงเสมอ (ตารางที่ 11-3)
ดังนั้น หากมีสัญญาณสายเดี่ยวในสเปกตรัม ก็หมายความว่าโมเลกุลของสสารนั้นรวมกลุ่มอะตอมไฮโดรเจนไว้ด้วย ซึ่งไม่มีอะตอมไฮโดรเจนอื่นในบริเวณใกล้เคียง ในสเปกตรัมในรูป 11-15 สัญญาณของกลุ่มเมกิลคือแฝดสาม ซึ่งหมายความว่ามีอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมอยู่ติดกับอะตอมคาร์บอน
ในทำนองเดียวกัน สัญญาณหมู่เมทิลีนก็เป็นสี่ส่วนเนื่องจากมีอะตอมไฮโดรเจนสามอะตอมอยู่ในบริเวณใกล้เคียง
การเรียนรู้วิธีทำนายสเปกตรัม NMR ที่คาดหวังโดยอิงจากสูตรโครงสร้างของสารจะเป็นประโยชน์ เมื่อเชี่ยวชาญขั้นตอนนี้แล้ว จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะแก้ไขปัญหาผกผัน โดยการสร้างโครงสร้างของสารจากสเปกตรัม NMR ของมัน ด้านล่างนี้คุณจะเห็นตัวอย่างการทำนายสเปกตรัมตามโครงสร้าง จากนั้นคุณจะถูกขอให้ตีความสเปกตรัมเพื่อกำหนดโครงสร้างของสสารที่ไม่รู้จัก
การทำนายสเปกตรัม NMR ตามสูตรโครงสร้าง
หากต้องการทำนายสเปกตรัม NMR ให้ปฏิบัติตามขั้นตอนเหล่านี้
1. เขียนสูตรโครงสร้างของสารให้ครบถ้วน
2. วงกลมอะตอมไฮโดรเจนที่เท่ากัน กำหนดจำนวนอะตอมไฮโดรเจนของแต่ละประเภท
3. การใช้โต๊ะ 11-2 (หรือความจำของคุณ) กำหนดค่าโดยประมาณของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสัญญาณของอะตอมไฮโดรเจนแต่ละประเภท
(คลิกเพื่อดูภาพสแกน)
