Ydinmagneettiresonanssispektroskopia, NMR-spektroskopia on spektroskopinen menetelmä kemiallisten kohteiden tutkimiseen käyttämällä ydinmagneettisen resonanssin ilmiötä . Amerikkalaiset fyysikot F. Bloch ja E. Purcell löysivät NMR - ilmiön vuonna 1946 . Tärkeimmät kemian ja käytännön sovellusten kannalta ovat protonimagneettinen resonanssispektroskopia (PMR-spektroskopia) sekä hiili-13-NMR-spektroskopia ( 13C NMR-spektroskopia ), fluori-19- ( 19F NMR - spektroskopia ), fosfori-31-spektroskopia ( 31 PMR). spektroskopia ). Jos alkiolla on pariton atomiluku tai jonkin (parillisen) alkuaineen isotoopilla on pariton massaluku, alkion ytimellä on eri spin kuin nolla. Kiihdytetystä tilasta normaalitilaan ytimet voivat palata siirtäen viritysenergian ympäristöön - "hilaan", joka tarkoittaa tässä tapauksessa erityyppisiä elektroneja tai atomeja kuin tutkittavat. Tätä energiansiirtomekanismia kutsutaan spin-hilarelaksaatioksi , ja sen tehokkuutta voidaan luonnehtia vakiolla T1, jota kutsutaan spin-hilarelaksaatioajaksi.
Infrapunaspektroskopian tapaan NMR paljastaa tietoa kemikaalien molekyylirakenteesta. Se tarjoaa kuitenkin täydellisempää tietoa kuin IS, mikä mahdollistaa dynaamisten prosessien tutkimisen näytteessä, eli kemiallisten reaktioiden nopeusvakioiden ja molekyylinsisäisen pyörimisen energiaesteiden suuruuden määrittämisen. NMR mahdollistaa myös kemiallisten reaktioiden välihiukkasten spektrien tallentamisen [1] .
Nämä ominaisuudet tekevät NMR-spektroskopiasta kätevän työkalun sekä teoreettisessa orgaanisessa kemiassa että biologisten kohteiden analysoinnissa [1] .
Näyte NMR:ää varten olevasta aineesta asetetaan ohutseinäiseen lasiputkeen (ampulli). Kun NMR-aktiiviset ytimet (kuten 1 H tai 13 C) asetetaan magneettikenttään, ne absorboivat sähkömagneettista energiaa. Lähetetyn signaalin resonanssitaajuus , absorptioenergia ja intensiteetti ovat verrannollisia magneettikentän voimakkuuteen . Joten 21 Teslan kentässä protoni resonoi 900 MHz taajuudella.
Ihanteellinen liuotin ei saa sisältää protoneja. Lisäksi on toivottavaa, että liuotin on inertti, alhainen kiehumispiste ja halpa. Nykyaikaiset laitteet vaativat deuteroituja liuottimia, koska magneettikentän stabilointi suoritetaan käyttämällä liuottimen deuteriumsignaalia. Laitteessa on deuterium "kanava", joka muuttaa jatkuvasti ja säätää kenttää deuteroidun liuottimen taajuuden mukaan.
Deuteriumsignaalia käytetään kentän säätöön. Shimming on magneettikentän tasaisuutta parantava toimenpide, joka suoritetaan erityisillä laitteeseen sisäänrakennetuilla pienillä sähkömagneettisilla keloilla (eli välilevyillä), jotka korjaavat päämagneettikentän niin, että sen tasaisuus on suurin tarkalleen näytteen keskellä. .
Ferromagneettisten epäpuhtauksien jäämät johtavat absorptiosignaalien katastrofaaliseen levenemiseen johtuen relaksaatioajan voimakkaasta lyhenemisestä. Yleisiä tasaisuuden heikkenemisen lähteitä ovat vesijohtoveden hiukkasmaiset epäpuhtaudet, teräskuidut, Raney-nikkeli sekä metallilastoista ja kolonnin täyteaineista peräisin olevat hiukkaset. Nämä epäpuhtaudet voidaan poistaa suodattamalla [2] .
Paikallisesta elektroniikkaympäristöstä riippuen molekyylin eri protonit resonoivat eri taajuuksilla. Koska sekä tämä taajuusmuutos että perusresonanssitaajuus ovat suoraan verrannollisia magneettikentän induktion suuruuteen, tämä siirtymä muunnetaan magneettikentästä riippumattomaksi dimensiottomaksi suureksi, joka tunnetaan nimellä kemiallinen siirto. Kemiallinen siirtymä määritellään muutokseksi suhteessa joihinkin vertailunäytteisiin. Taajuussiirtymä on erittäin pieni verrattuna NMR-spektrometrin perustaajuuteen. Tyypillinen taajuusmuutos on 100 Hz, kun taas NMR perustaajuus on luokkaa 100 MHz. Näin ollen, ottaen huomioon erot spektrometrin perustaajuuksissa, kemiallinen siirtymä ilmaistaan usein dimensiottomina miljoonasosina (ppm tai englanti - ppm).
Koska kemiallisen siirtymän suuruus riippuu aineen koostumuksesta, sitä käytetään ennakkotietojen saamiseksi näytteen molekyylien kemiallisesta rakenteesta. Esimerkiksi etanolin (CH3CH2OH ) spektri antaa 3 erotettua signaalia ja sillä on 3 erillistä kemiallista siirtymäarvoa: yksi CH3- ryhmälle , yksi CH2- ryhmälle ja viimeinen OH-ryhmälle. Tyypillinen siirtymä CH3- ryhmälle on alueella 1 ppm, CH2- ryhmälle , joka on kiinnittynyt OH:iin - 4 ppm ja OH:lle noin 2-3 ppm. Siten, kun tiedetään kemiallisten siirtymien arvot, on mahdollista määrittää, mitkä atomiryhmät sisältyvät näytemolekyylien koostumukseen.
Huoneenlämpötilassa tapahtuvasta molekyylinsisäisestä liikkeestä johtuen NMR 3 -metyyliprotonisignaalien keskiarvo muodostuu signaalin hankintaprosessin aikana, joka kestää vain muutaman millisekunnin. Kaikki metyyliryhmän protonit degeneroituvat ja muodostavat signaaleja vastaavalla kemiallisella siirtymällä. NMR-spektrometrien ohjelmisto mahdollistaa NMR-signaalien integroidun intensiteetin arvioinnin, jotta voidaan ymmärtää havaittuun signaaliin vaikuttavien protonien lukumäärä.
Hyödyllisin tieto rakenteen määrittämiseksi yksiulotteisessa NMR-spektrissä saadaan aktiivisten NMR-ytimien välisestä niin sanotusta spin-spin-vuorovaikutuksesta. Tämä vuorovaikutus johtuu siirtymistä kemiallisten molekyylien eri ydinspin - tilojen välillä , mikä johtaa NMR-signaalien jakautumiseen. Tämä jakaminen voi olla yksinkertainen tai monimutkainen, ja sen seurauksena se on joko helppo tulkita tai se voi hämmentää kokeilijaa.
Tämä sitoutuminen antaa yksityiskohtaista tietoa atomien sidoksista molekyylissä.
Toisen asteen vuorovaikutus (vahva)Yksinkertainen spin-spin-vuorovaikutus olettaa, että kytkentävakio on pieni verrattuna signaalien välisiin kemiallisten siirtymien eroihin. Jos siirtoero pienenee (tai kytkentävakio kasvaa), näytemultiplettien intensiteetti vääristyy, jolloin niitä on vaikeampi analysoida (varsinkin jos järjestelmä sisältää enemmän kuin 2 spiniä). Suuritehoisissa NMR-spektrometreissä särö on kuitenkin yleensä kohtalaista, mikä tekee niihin liittyvien huippujen tulkinnan helpoksi.
Toisen asteen vaikutukset pienenevät multiplettien välisen taajuuseron kasvaessa, joten korkeataajuinen NMR-spektri näyttää vähemmän vääristymää kuin matalataajuinen spektri.
Suurin osa viimeaikaisista NMR-spektroskopian innovaatioista tehdään niin sanotussa proteiini-NMR-spektroskopiassa, josta on tulossa erittäin tärkeä tekniikka nykyaikaisessa biologiassa ja lääketieteessä. Yleinen tavoite on saada proteiinista korkearesoluutioinen 3-ulotteinen rakenne, joka on samanlainen kuin röntgenkristallografialla saatujen kuvien kanssa. Koska proteiinimolekyylissä on enemmän atomeja verrattuna yksinkertaiseen orgaaniseen yhdisteeseen, taustalla oleva 1H - spektri on täynnä päällekkäisiä signaaleja, mikä tekee suorasta spektrianalyysistä mahdotonta. Siksi tämän ongelman ratkaisemiseksi on kehitetty moniulotteisia tekniikoita.
Näiden kokeiden tulosten parantamiseksi käytetään leimattujen atomien menetelmää käyttämällä 13 C tai 15 N. Näin on mahdollista saada 3D-spektri proteiininäytteestä, josta on tullut läpimurto nykyaikaisessa lääkkeessä. Viime aikoina menetelmät (joissa on sekä etuja että haittoja) 4D-spektrien ja suurempien ulottuvuuksien spektrien saamiseksi, jotka perustuvat epälineaarisiin näytteenottomenetelmiin, joita seuraa vapaan induktion vaimenemissignaalin palauttaminen käyttämällä erityisiä matemaattisia tekniikoita, ovat yleistyneet.
Liuosten kvantitatiivisessa analyysissä piikin pinta-alaa voidaan käyttää pitoisuuden mittana kalibrointikäyrämenetelmässä tai additiomenetelmässä. Tunnetaan myös menetelmiä, joissa asteittainen käyrä heijastaa kemiallisen siirtymän pitoisuusriippuvuutta. NMR-menetelmän käyttö epäorgaanisessa analyysissä perustuu siihen, että paramagneettisten aineiden läsnä ollessa ytimen relaksaatioaika kiihtyy. Relaksaationopeuden mittaus voidaan suorittaa useilla menetelmillä: Luotettava ja monipuolinen on esimerkiksi NMR-menetelmän impulsiivinen versio tai, kuten sitä yleisesti kutsutaan, spin echo -menetelmä . Tällä menetelmällä tehdyissä mittauksissa tutkittavaan näytteeseen syötetään lyhytaikaisia radiotaajuisia pulsseja magneettikentässä tietyin aikavälein resonanssiabsorptioalueella Vastaanottokelaan ilmestyy spinkaikusignaali, jonka suurin amplitudi on liittyvät rentoutumisaikaan yksinkertaisella suhteella. Ei ole tarpeen löytää relaksaationopeuksien absoluuttisia arvoja tavanomaisten analyyttisten määritysten suorittamiseksi . Näissä tapauksissa voidaan rajoittua jonkin niihin verrannollisen suuren mittaamiseen, esimerkiksi resonanssiabsorptiosignaalin amplitudiin . Amplitudimittaus voidaan tehdä yksinkertaisilla, edullisemmilla laitteilla. NMR-menetelmän merkittävä etu on mittausparametriarvojen laaja valikoima. Spin echo -asetuksen avulla voit määrittää rentoutumisajan välillä 0,00001 - 100 s. 3...5% virheellä. Tämän avulla voit määrittää liuoksen pitoisuuden erittäin laajalla alueella 1 ... 2 - 0,000001 ... 0000001 mol / l. Yleisimmin käytetty analyysitekniikka on kalibrointikäyrämenetelmä.