رزونانس مغناطیس هسته (NMR)
برخی هسته‌ها، مانند الکترون به دور محور خود حرکت چرخشی دارند. در حضور یک میدان آهنربایی خارجی، یک هسته در حال چرخش تنها تعداد معدودی جهت‌گیری پایدار دارد. رزونانس مغناطیس هسته(NMR) هنگامی ایجاد می شود که یک هسته اسپین دار با جذب تابش الکترومغناطیسی به مقدار کافی، در حضور یک میدان آهنربایی از یک جهت‌گیری با انرژی پایین‌تر به یک جهت‌گیری با انرژی بالاتر برانگیخته شود. طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته شامل اندازه‌گیری میزان انرژی لازم برای تغییر هسته‌های اسپین دار از یک جهت‌گیری پایدار به جهت‌گیری ناپایدارتر در یک میدان مغناطیسی است. از آنجا که هسته‌های اسپین‌دار در میدان مغناطیسی در فرکانس‌های مختلف تغییر جهت می‌دهند، فرکانس متفاوتی از تابش جذبی برای عوض کردن جهت‌گیری هسته‌های اسپین‌دار نیاز می‌باشد. فرکانسی که در آن جذب صورت می‌گیرد برای تجزیه و طیف‌سنجی به کار برده می‌شود.
رزونانس مغناطیسی هسته‌ای برای اولین بار در سال ۱۹۴۶ به طور مستقل توسط فلیکس بلوخ از دانشگاه استانفورد و ادوارد پارسل از دانشگاه هاروارد کشف شد. آنها توانستند جذب تابش الکترومغناطیسی را که در نتیجه انتقال تراز انرژی هسته در یک میدان مغناطیسی قوی صورت می‌گیرد را نشان دهند. این دو فیزیکدان در سال ۱۹۵۲ به خاطر کارشان موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. در پنج ساله اول پس از کشف روش رزونانس مغناطیس هسته شیمیدان‌ها دریافتند که محیط مولکولی اجسام بر جذب تابش توسط هسته‌ها در حضور یک میدان مغناطیسی اثر می‌گذارد و این اثر می‌تواند به ساختمان مولکول ارتباط داده شود. از آن پس رشد روش طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته انفجارآمیز بوده است و این روش اثر قابل توجهی در توسعه شیمی آلی، شیمی معدنی و بیوشیمی داشته است. در سال ۱۹۹۹ یک تیم فیزیکدان کانادایی موفق به توسعه یک روش جدید با استفاده از روش رزونانس مغناطیس هسته‌ای Beta شدند که این روش قادر به نشان دادن خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک می باشد از روش های BetaNMR در علوم نانویی استفاده می شود.
اندازه حرکت زاویه‌ای اسپین در هسته‌ها توسط عدد کوانتومی اسپین هسته مشخص می‌شود. عددکوانتومی اسپین هسته هر عدد صحیح یا نیمه صحیحی می‌تواند باشد. در هسته‌هایی ماند۱۶O و ۱۲C که فاقد اسپین هستند، عدد کوانتومی اسپین هسته صفر است. هسته‌هایی که بدون اسپین‌اند و بنابراین اندازه حرکت زاویه‌ای اسپین ندارند، نمی‌توانند توسط طیف‌سنجی NMR آشکار شوند. هسته‌های اسپین‌داری که توزیع بار کروی دارند، دارای عدد کوانتومی اسپین ۱/۲ هستند. نمونه‌هایی از این هسته‌ها شامل ۱۳C،۱۹F، ۳H، ۱۵N، ۳۱P و ۱H می‌باشد که دارای عدد کوانتومی ۱/۲ و گشتاور مغناطیسی هستند. برای آن که یک هسته در میدان آهنربایی تابش الکترومغناطیس را به مقدار زیاد جذب کند باید در نمونه از فراوانی بالایی برخودار باشد و همچنین باید گشتاور مغناطیسی (µ) نسبتاً بزرگ داشته باشد. هسته‌هایی که هر دو خاصیت مورد بحث را دارند شامل۱H،۱۹ F ،۲۱ P می‌باشد. به طور معمول بیشتر اندازه‌گیری‌های NMR برای ۱H انجام می‌شود. اندازه‌گیری سایر هسته‌ها اغلب با استفاده از روش‌های افزایش علامت به منظور مشاهده طیف، انجام می شود. معمولاً از میان هسته‌هایی با فراوانی نسبی پایین که رزونانس مغناطیس هسته را نشان می‌دهند،۱۲C ، ۱۵N ، ۱۶O بیشتر مورد توجه شیمیدان‌ها قرار دارد. روش رزونانس مغناطیسی هسته‌ای هیدورژن (۱H) که بیشتر از دیگر هسته‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای گشتاور مغناطیسی در حدود ۲/۷۹۲۷= µاست برای اسپین‌های هسته‌ای ۱/۲ ، اختلاف انرژی بین دو سطح اسپین در یک میدان مغناطیسی داده شده متناسب با گشتاور مغناطیسی آن خواهد بود. برای دیگر هسته‌ها که برای طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند گشتاور مغناطیسی به ترتیب برای ۲۱P،۱۹F ۱۲C برابر۲/۶۸۷۳ ,۱/۱۳۰۵ و ۰/۷۰۲۲ می‌باشد[۴].
در اکثر موارد حساسیت دستگاه‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای غیرپروتونی مثل ۱۲C و غیره در مقایسه با HNMR کمتر است. همچنین در بیشتر ترکیبات، فراوانی طبیعی هسته‌های مغناطیسی غیرپروتونی به میزان قابل ملاحظه‌ای کمتر از پروتونی است. این عامل سبب می‌شود که طیف‌های NMR هسته‌های غیرپروتونی، سیگنال به نویز نسبتاً پایینی داشته باشند. پیک‌های این طیف‌ها کوچک هستند و اغلب اگر از دستگاه یکسانی که برای NMR هسته های پروتونی(PMR) به کار رفته، استفاده شود، طیف آنها را نمی‌توان مشخص کرد. با توجه به پایین بودن سیگنال به نویز در این موارد، بیشتر دستگاه‌های طراحی شده برای ثبت طیف‌های NMR هسته‌های غیرپروتونی از چند پیمایش همراه با تکنیک میانگین گیری از علامت استفاده می‌کنند. متداول‌ترین دستگاه‌ها برای استخراج پیک‌های طیفی از تبدیل فوریه استفاده می‌کنند. دستگاه‌های تبدیل فوریه برای تهیه طیف‌های PMR محلول‌های رقیق و مولکول‌های پیچیده، مانند پروتئین‌ها، که در آنها مقدار یک پروتون ویژه در مولکول اندک است، نیز به کار می‌روند، تفاوت طیف‌های PMR و سایر طیف‌های NMR در محدوده جابجایی شیمیایی است. محدوده جابه‌جایی شیمیایی برای PMR در اکثر موارد ۱۰PPM است. در حالی که برای هسته ۱۲C جابه‌جایی شیمیایی تا حدود ۲۰۰PPM است این مقدار برای طیف‌های ۱۹F و ۲۱P به ترتیب برابر ۳۰۰ و ۴۰۰PPM است.
در روش‌های NMR معمولاً واحدهای مورد استفاده به صورت زمان (ثانیه)، زاویه (درجه یا رادیان)، درجه حرارت (کلوین)، قدرت میدان مغناطیسی (تسلا،T )، انرژی (ژول)، ارتعاش (دور بر ثانیه) و قدرت (وات) می‌باشد. [۵]
اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
اجزاء مهم یک طیف‌سنج NMR در شکل (۱) به طور شماتیک نشان داده شده است توضیح مختصری از هر یک از اجزاء تشکیل دهنده در ذیل بیان می‌شود.
۱) آهنربا:
در طیف‌سنج‌های تجاری NMR هم آهنرباهای دائم و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوعاً میدانی در حدود ۱۴۰۰۰ گوس بین قطعات قطب‌های مغناطیسی که قطری برابر ۱۲ اینچ یا بیشتر دارند، برقرار می‌شود. مشخصات کارکردی آهنربا به خصوص برای کارهای با تفکیک بالا، حساس و پراهمیت است. میدان ایجاد شده باید در محوطه حضور نمونه، تا یک قسمت در۱۰۸ همگن باشد و باید تا درجه مشابهی در زمان‌های کوتاه پایدار بماند. برای داشتن چنین خصوصیاتی، به ابزارسازی تکامل یافته‌ای که مجهز به ابزار پس خور جهت تصحیح در افت و خیز است، نیاز می‌باشد.
۲- پیمایش گر میدان مغناطیسی
استقرار یک جفت سیم‌پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، تناوب میدان اعمال شده در یک گستره کوچک را امکان‌پذیر می‌سازد. با تغییر یک جریان مستقیم از میان این سیم‌پیچ‌ها، میدان مؤثر را می‌توان بدون از دست دادن همگنی میدان، تا چند صدمیلی گوس تغییر داد.
معمولاً قدرت میدان به طور خودکار و به طور خطی با زمان تغییر می‌کند و این تغییر با حرکت کاغذ ثبات همزمان است. برای یک دستگاه ۶۰ مگاهرتزی، گستره پیمایش میدان برابر ۱۰۰۰ هرتز (۲۳۵ میلی‌گوس) یا چیزی حدود آن است.
۳- منبع فرکانس رادیویی
علامت حاصل از یک نوسانگر فرکانس رادیویی (فرستنده) به داخل یک زوج سیم‌پیچی که عمود بر مسیر میدان نصب شده‌اند. خورانده می‌شود و در نتیجه یک پرتو تابش قطبیده مسطح به دست می‌آید. معمولاً از یک نوسانگر ثابت دقیقاً ۶۰ مگاهرتزی استفاده می‌شود. فرکانس برای کار با تفکیک بالا، باید تا حدود یک قسمت در °۱۰ ثابت باشد. توان خروجی این منبع کمتر از وات است و باید تا شاید به مقدار یک درصد در یک فاصله زمانی چندین دقیقه ثابت باشد.
۴- آشکارساز و سیستم ثبات:
علامت فرکانس رادیویی ایجاد شده توسط هسته‌های در حال رزونانس، به وسیله سیم‌پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده است و به صورت عمود بر سیم‌پیچ منبع قرار دارد، آشکار می‌شود. علامت الکتریکی تولید شده در سیم‌پیچ‌ها کوچک است و باید به ضریبی برابر °۱۰ یا بیشتر تقویت گردد تا بتواند ثبت شود.
۵- ظرف نگهدارنده نمونه:
سلول متداول برای نمونه در NMR مرکب از یک لوله شیشه‌ای به قطر ۵ میلی‌متر است که حدود ۰/۴ میلی‌متر از مایع در آن قرار می‌گیرد. لوله‌های کوچکتر برای نمونه‌هایی با حجم کمتر نیز در دسترس است.
کاربردها:
۱- مطالعه ساختار میکرومولکول‌های کوچک و ترکیبات آلی موجود در محول‌ها
۲- مطالعه ساختار شیمیایی مواد با استفاده از NMR یک بعدی .
۳- مطالعه ساختار مولکول‌های بسیار پیچیده با استفاده از NMR دو بعدی.
۴- تعیین ساختار مولکول‌های مواد جامد با استفاده از NMR حالت جامد.
۵- مطالعه فیزیولوژی سلول‌ها و غلظت درون یاخته‌های سلولی .
۶- روش های NMR معمولی قادر به تعیین مشخصات ساختار نانویی یا پدیده های همراه با جداسازی با درجه خلوص در مقیاس نانو نیستند. زیرا که اندازه های نانویی نیاز به۱۸ ۱۰ اسپین هسته ای برای تولید سیگنال های قابل ملاحظه دارد از این رو روش های رزونانس مغناطیس هسته ای Beta که بعداً توسعه پیدا کرده سیگنال های دریافتی آن بسیار حساس و در حدود ۱۰ برابر روش های معمولی است برای تعیین خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک در مقیاس نانو به کار می رود.
۷- ارایه اطلاعات ساختاری با دقت نانومتر از ساختارهای پیچیده بیولوژیک مانند ویروس ها
