Φασµατοσκοπία NMR. Απόστολος Σπύρος Γ-207, ισόγειο κτιρίου Χηµείας. Τηλ

Transcript

1 Φασµατοσκοπία NMR Απόστολος Σπύρος Γ-207, ισόγειο κτιρίου Χηµείας Τηλ

2 F. Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard. Nuclear Induction. Phys. Rev. January, a. We have established this new effect using water at room temperature and observing the signal induced in a coil by the rotation of the proton moments. Bloch b. We have thought of various investigations in which this effect can be used fruitfully. A detailed account will be published in the near future. E.M. Purcell, H.C. Torrey, R.V. Pound. Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid. Phys. Rev. January, a. The method can be refined in both sensitivity and precision. Purcell b. It provides a way to investigate the interesting question of spin-lattice coupling.

3 Φασµατοσκοπία Απορρόφησης Πηγή- είγµα είγµα-ανιχνευτής UV: µεταπτώσειςσεηλεκτρονικέςενεργειακέςστιβάδες (10 17 Ηz) IR:µεταπτώσειςσεδονητικέςενεργειακέςστιβάδες (10 14 Hz) NMR:µεταπτώσειςσεπυρηνικόµαγνητικόενεργειακόεπίπεδο (10 8 Hz)

4

5

6

7

8 Ε = hv ω = 2πν

9

10

11

12

13

14

15

16 Παλµοί-Παλµικό Παλµικό NMR Ο παλµός εκπέµπεται από τον ποµπό ραδιοσυχνοτήτων (πεδίο Β 1 ) και είναι έναςσυνδυασµόςκύµατοςσυχνότηταςω ο καιµιαςβηµατικήςσυνάρτησης. t p FT - ω + ω ω ο Ο παλµός καλύπτει µια ευρεία περιοχή συχνοτήτων± ωµε κέντρο τη συχνότητα ω ο.ηπεριοχή εξαρτάται από το εύρος t p τουπαλµού. t p 1/ ω ο Για να υπολογίσουµε τη συχνότητα του παλµού και την περιοχή συχνοτήτων που αυτή καλύπτει στο φάσµα, θα πρέπει να αναλύσουµε τον παλµό µε Μετασχηµατισµό Φουριέ (Fourier Transformation).

17 Εύρος παλµών και γωνία απόκλισης Το εύρος του παλµού δεν συνδέεται µόνο µε την περιοχή συχνοτήτων που καλύπτει, αλλάκαιµετηδιάρκειαλειτουργίαςτουπεδίου B 1,δηλαδήαπό τον χρονική διάρκεια εφαρµογής του παλµού. Με την εφαρµογή του πεδίου B 1 εξασκείταιµιαροπήστρέψηςστηµαγνήτιση M o. M o z φ t = γ * t p * B 1 y z φ M xy y Η γωνία απόκλισης ή περιστροφής φ της µαγνήτισης εξαρτάται από την έντασητουπεδίου B 1 και από τη διάρκεια τουπαλµού t p. x Β 1 x Μεταβάλλοντας την ένταση ή τη διάρκεια του παλµού µπορούµε να επιτύχουµε γωνίες απόκλισης π/4, π/2 και π. Οι παλµοί ονοµάζονται παλµοί π/4, π/2 και π, ή 45 ο, 90 ο και 180 ο, αντίστοιχα.

18 Μερικοί χρήσιµοι παλµοί x x z z M o π / 2 y y x z z M xy M o π y y x -M 0 Από τους πιο κοινούς παλµούς είναι ο π/2, ο οποίος τοποθετεί τη µαγνήτιση στο επίπεδο xy. Χρήσιµος, επίσης, είναιο παλµός π, ο οποίος προκαλεί αναστροφή της µαγνήτισης και των πληθυσµών των πυρήνων στις ενεργειακές στάθµες. Οι παλµοί διακρίνονται σε µη επιλεκτικούς και επιλεκτικούς παλµούς. Οι µη επιλεκτικοί παλµοί είναι µικρής διάρκειας και διεγείρουν µια µεγάλη περιοχή συχνοτήτων. Αντίθετα οι επιλεκτικοί παλµοί είναι µικρής διάρκειας και διεγείρουν µια µικρή περιοχή συχνοτήτων (π.χ. µια µόνο συνιστώσα µιας πολλαπλής κορυφής).

19

20

21

22 Ελεύθερη Επαγωγική Απόσβεση (FID) Μετά την εφαρµογή παλµού π/2, η µαγνήτιση βρίσκεται στο επίπεδο xyτουπεριστρεφόµενουσυστήµατοςαναφοράς (Π.Σ.Α.). ιακρίνουµε δύο περιπτώσεις: 1. ΗµαγνήτισηΜ xy παραµένειακίνητηστονάξονα y (ω =ω o ), όπουω o η συχνότητα του Π.Σ.Α. Η επαναφορά της µαγνήτισης στην κατάσταση ισορροπίας (αποδιέγερση) είναι εκθετική. Το λαµβανόµενο σήµα στον δέκτη έχει την ίδια µορφή. Μ xy ω = ω o M xy (t) = M xy (0) * e -t/t 2 Χρόνος

23 Ελεύθερη Επαγωγική Απόσβεση (FID) ( )( 2. ΗµαγνήτισηΜ xy περιστρέφεταιστοεπίπεδο xyµεσυχνότηταω -ω o > 0 (ω ω o ). Ηεπαναφοράτηςµαγνήτισηςστηνκατάστασηισορροπίαςείναιφθίνουσα συνηµιτονοειδής ή ηµιτονοειδής. Το λαµβανόµενο σήµα στον δέκτη έχει την ίδια µορφή. M xy (t) = M xy (0) * cos (ω -ω o ) * e -t/t 2 Μ xy Χρόνος φ ω -ω o Μ xy M xy (t) = M xy (0) * sin (ω -ω o ) * e -t/t 2 Χρόνος

24 Ελεύθερη Επαγωγική Απόσβεση (FID) ( )( Στο προηγούµενο πείραµα, από το σήµα στο χώρο του χρόνου µπορούµε να προσδιορίσουµε µε σχετική ευκολία τη συχνότητα (χηµική µετατόπιση) και τη σταθερά σύζευξη (εάν υπάρχει). Οµως ένα πραγµατικό δείγµα περιέχει εκατοντάδες πυρήνες µε διαφορετικές συχνότητες συντονισµού. Σε αυτήν την περίπτωση, η ελεύθερη επαγωγική απόσβεση (FID) είναι σύνθετη και αποτελείται από τις FID όλων των µεµονωµένων πυρήνων t1 sec

25 Ελεύθερη Επαγωγική Απόσβεση (FID) ( )( Μετασχηµατισµός Φουριέ (FT) S(t) t1 sec S(ω)

26 FID- FOURIER TRANSFORM CH 2 TMS Ar H 1800 Hz 8 ppm CH Hz 3 ppm TMS 200 Hz 0 ppm Fourier John Wilder Tukey 0 5 ms FT (ppm) Chemical Shifts

27 Ελεύθερη Επαγωγική Απόσβεση και σήµα NMR Η κορυφή ή το σήµα NMR είναι µια Λορεντσιανή καµπύλη (δεν έχει ουρές) και χαρακτηρίζεται από τρεις παραµέτρους: Ένταση (εµβαδόνήολοκλήρωµα) Συχνότητα ω (θέση στο φάσµα) Εύροςστοµέσούψος ( ω ½ ) αρχική ένταση ταχύτητα απόσβεσης FT εµβαδόν εύρος στο µέσο ύψος ύψος 1/ω χρόνος ταλάντωσης ω θέση κορυφής

28 Λόγος σήµατος προς θόρυβο (S/N) Καθορίζει την ευαισθησία του πειράµατος NMR S N = n n n = S 4 = 4 = N 2 n = αριθµόςσαρώσεων Τετραπλασιασµός των αριθµών των σαρώσεων διπλασιάζει την ευαισθησία του πειράµατος. S N

29 PW DE AQ RD Scan time PW = pulse width DE = pre-acquisition delay AQ = acquisition time RD = relaxation delay

30 1949 Varian First commercially available NMR instrumentation 1952 First high resolution NMR spectrometer (30 MHz) MHz

31 Το πρώτο Φάσµα Οργανικής Ένωσης Chemical Shift Chemists got the point very quickly, thanked the physicists, and took over. (Martin Packard) The most dramatic demonstration of the chemical shift, and the real birth of highresolution NMR was the observation by Arnold, Dharmatti, and Packard of separate lines for chemically nonequivalent protons in the same molecule, first acetic acid, then ethanol.

32

33 ΥπεραγώγιµοιΜαγνήτες 1964 First commercial superconducting NMR spectrometer. Used for protons only.

34

35

36 Κρυογενικοί Αισθητήρες