Kernemagnetisk resonansspektroskopi, NMR-spektroskopi er en spektroskopisk metode til at studere kemiske genstande ved hjælp af fænomenet kernemagnetisk resonans . NMR-fænomenet blev opdaget i 1946 af de amerikanske fysikere F. Bloch og E. Purcell . De vigtigste for kemi og praktiske anvendelser er protonmagnetisk resonansspektroskopi (PMR-spektroskopi), samt kulstof-13 NMR-spektroskopi ( 13C NMR-spektroskopi ), fluor-19 ( 19F NMR-spektroskopi ), fosfor-31 ( 31P NMR ). spektroskopi ). Hvis et grundstof har et ulige atomnummer, eller en isotop af et (lige lige) grundstof har et ulige massetal, har kernen af dette grundstof et spin andet end nul. Fra den exciterede tilstand til den normale tilstand kan kernerne vende tilbage og overføre excitationsenergien til miljøet - "gitteret", som i dette tilfælde betyder elektroner eller atomer af en anden slags end dem, der er undersøgt. Denne energioverførselsmekanisme kaldes spin-gitter-relaksation , og dens effektivitet kan karakteriseres ved en konstant T1, kaldet spin-gitter-relaksationstiden.
I lighed med infrarød spektroskopi afslører NMR information om kemikaliers molekylære struktur. Det giver dog mere fuldstændig information end IS, hvilket gør det muligt at studere dynamiske processer i en prøve, det vil sige at bestemme hastighedskonstanter for kemiske reaktioner og størrelsen af energibarriererne for intramolekylær rotation. NMR giver dig også mulighed for at registrere spektrene af mellemliggende partikler af kemiske reaktioner [1] .
Disse funktioner gør NMR-spektroskopi til et praktisk værktøj både i teoretisk organisk kemi og i analyse af biologiske objekter [1] .
En prøve af et stof til NMR anbringes i et tyndvægget glasrør (ampul). Når de placeres i et magnetfelt, absorberer aktive NMR-kerner (såsom 1 H eller 13 C) elektromagnetisk energi. Resonansfrekvensen , absorptionsenergien og intensiteten af det udsendte signal er proportional med styrken af det magnetiske felt . Så i et felt på 21 Tesla resonerer en proton med en frekvens på 900 MHz.
Et ideelt opløsningsmiddel bør ikke indeholde protoner. Derudover er det ønskeligt, at opløsningsmidlet er inert, lavt kogepunkt og billigt. Moderne enheder kræver deutererede opløsningsmidler, da stabiliseringen af magnetfeltet udføres ved hjælp af opløsningsmidlets deuteriumsignal. Enheden har en deuterium "kanal", der konstant ændrer sig og tilpasser feltet til frekvensen af det deutererede opløsningsmiddel.
Deuterium-signalet bruges til felt-shimming. Shimming er en procedure til at forbedre ensartetheden af det magnetiske felt, som udføres ved hjælp af specielle små elektromagnetiske spoler indbygget i enheden (kaldet shims), som korrigerer det primære magnetiske felt, så dets ensartethed er størst nøjagtigt i midten af prøven .
Spor af ferromagnetiske urenheder fører til en katastrofal udvidelse af absorptionssignalerne på grund af et stærkt fald i afslapningstiden. Almindelige kilder til forringelse af ensartetheden er partikelformige forurenende stoffer fra postevand, stålfibre, Raney-nikkel og partikler fra metalspatler og søjlefyldstoffer. Disse forurenende stoffer kan fjernes ved filtrering [2] .
Afhængigt af det lokale elektroniske miljø resonerer forskellige protoner i et molekyle ved forskellige frekvenser. Da både denne frekvensforskydning og den fundamentale resonansfrekvens er direkte proportional med størrelsen af magnetfeltinduktionen, omdannes denne forskydning til en dimensionsløs størrelse uafhængig af magnetfeltet, kendt som det kemiske skift. Kemisk skift er defineret som en ændring i forhold til nogle referenceprøver. Frekvensskiftet er ekstremt lille sammenlignet med basisfrekvensen for NMR-spektrometeret. Et typisk frekvensskift er 100 Hz, mens basis-NMR-frekvensen er i størrelsesordenen 100 MHz. Under hensyntagen til forskellene i spektrometerets grundfrekvenser udtrykkes det kemiske skift ofte i dimensionsløse enheder af ppm (ppm eller engelsk - ppm).
Da størrelsen af det kemiske skift afhænger af stoffets sammensætning, bruges det til at indhente foreløbige oplysninger om den kemiske struktur af molekylerne i prøven. For eksempel giver spektret af ethanol (CH 3 CH 2 OH) 3 opløste signaler og har 3 distinkte kemiske skiftværdier: en for CH 3 -gruppen , en for CH 2 -gruppen og den sidste for OH. Et typisk skift for CH3 - gruppen er i området 1 ppm, for CH2 - gruppen bundet til OH - 4 ppm og OH ca. 2-3 ppm. Ved at kende værdierne af kemiske skift er det således muligt at bestemme, hvilke grupper af atomer der er inkluderet i sammensætningen af prøvemolekylerne.
På grund af intramolekylær bevægelse ved stuetemperatur gennemsnittet NMR 3-methylprotonsignalerne under signalopsamlingsprocessen , som kun varer et par millisekunder. Alle protoner i methylgruppen degenererer og danner signaler med et tilsvarende kemisk skift. Softwaren til NMR-spektrometre gør det muligt at evaluere den integrerede intensitet af NMR-signaler for at forstå antallet af protoner, der bidrager til det observerede signal.
Den mest nyttige information til at bestemme strukturen i et endimensionelt NMR-spektrum er tilvejebragt af den såkaldte spin-spin-interaktion mellem aktive NMR-kerner. Denne interaktion skyldes overgange mellem forskellige nukleare spin -tilstande i kemiske molekyler , hvilket resulterer i spaltning af NMR-signaler. Denne opdeling kan være enkel eller kompleks, og som et resultat er den enten let at fortolke eller kan forvirre forsøgslederen.
Denne binding giver detaljerede oplysninger om bindingerne af atomer i et molekyle.
Andenordens interaktion (stærk)Den simple spin-spin-interaktion antager, at koblingskonstanten er lille sammenlignet med forskellen i kemiske skift mellem signalerne. Hvis skiftforskellen falder (eller koblingskonstanten stiger), bliver intensiteten af prøvemultipletterne forvrænget, hvilket bliver sværere at analysere (især hvis systemet indeholder mere end 2 spins). Men i højeffekt NMR-spektrometre er forvrængning normalt moderat, og det gør det nemt at fortolke de tilhørende toppe.
Anden ordens effekter falder med stigende frekvensforskel mellem multipletterne, så højfrekvens-NMR-spektret viser mindre forvrængning end lavfrekvensspektret.
De fleste af de seneste innovationer inden for NMR-spektroskopi er lavet i den såkaldte protein-NMR-spektroskopi, som er ved at blive en meget vigtig teknik i moderne biologi og medicin. Et fælles mål er at opnå en høj opløsning 3-dimensionel struktur af et protein, svarende til billeder opnået i røntgenkrystallografi. På grund af tilstedeværelsen af flere atomer i et proteinmolekyle sammenlignet med en simpel organisk forbindelse, er det underliggende 1H -spektrum fuld af overlappende signaler, hvilket gør direkte spektrumanalyse umulig. Derfor er der udviklet multidimensionelle teknikker til at løse dette problem.
For at forbedre resultaterne af disse eksperimenter anvendes metoden med mærkede atomer ved hjælp af 13 C eller 15 N. Det bliver således muligt at opnå et 3D-spektrum af en proteinprøve, som er blevet et gennembrud i moderne lægemidler. For nylig er metoder (der har både fordele og ulemper) til opnåelse af 4D-spektre og spektre af højere dimensioner, baseret på ikke-lineære samplingmetoder med efterfølgende restaurering af det frie induktions-henfaldssignal ved hjælp af specielle matematiske teknikker, blevet udbredt.
I den kvantitative analyse af opløsninger kan topareal anvendes som et mål for koncentration i kalibreringskurvemetoden eller additionsmetoden. Der kendes også metoder, hvor en gradueret graf afspejler koncentrationsafhængigheden af det kemiske skift. Anvendelsen af NMR-metoden i uorganisk analyse er baseret på, at i nærvær af paramagnetiske stoffer accelereres den nukleare afslapningstid. Måling af afslapningshastigheden kan udføres ved flere metoder, pålidelig og alsidig er for eksempel den impulsive udgave af NMR-metoden, eller som det i daglig tale kaldes spin-ekko-metoden . Ved målinger ved hjælp af denne metode påføres kortvarige radiofrekvensimpulser til prøven under undersøgelse i et magnetisk felt med bestemte tidsintervaller i resonansabsorptionsområdet Et spin-ekkosignal fremkommer i modtagespolen, hvis maksimale amplitude er relateret til afslapningstiden ved et simpelt forhold. Det er ikke nødvendigt at finde de absolutte værdier af afslapningshastighederne for at udføre de sædvanlige analytiske bestemmelser . I disse tilfælde kan man begrænse sig til at måle en eller anden mængde, der er proportional med dem, for eksempel amplituden af resonansabsorptionssignalet . Amplitudemåling kan udføres med enkelt, mere overkommeligt udstyr. En væsentlig fordel ved NMR-metoden er en bred vifte af målte parameterværdier. Ved hjælp af spin-ekko-indstillingen kan du bestemme afslapningstiden fra 0,00001 til 100 s. med en fejl på 3...5%. Dette giver dig mulighed for at bestemme koncentrationen af opløsningen i et meget bredt område fra 1 ... 2 til 0,000001 ... 0000001 mol / l. Den mest almindeligt anvendte analytiske teknik er kalibreringskurvemetoden.