Phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một phần của phổ cao tần. Tương tác với hạt nhân được tạo ra với sóng radio (108-106 Hz).
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân nghiên cứu những bước chuyển của các mức năng lượng của hạt nhân thuận từ (hạt nhân có từ tính). Các mức năng lượng này là bằng nhau bởi vậy cần một sự tương tác giữa hạt nhân với một từ trường.
Hạt nhân có momen từ (magnetic moment) có thể có những trạng thái năng lượng khác nhau khi ở trong một từ trường.
Thành phần của hạt nhân gồm proton và neutron đều có xung quay riêng (rotation impuls) của chính mình, ký hiệu là Prk, còn gọi là spin. Ngược với xung quay kinh điển (rotation impuls), spin có những giá trị ngắt quãng.
Spin của hạt nhân được tạo thành về phương diện vectơ là số cộng của thành phần hạt nhân (proton và neutron) theo công thức :
h r * + = I(I 1) Pk (1.1) P = 2 h h h : Hằng số Planck
I : Số lượng tử spin hạt nhân
Đối với các đồng vị khác nhau I có thể bằng 0,1/2,1,3/2...7.
Khi số thứ tự (số proton) và khối lượng (proton + neutron) của một hạt nhân đều là số chẵn thì I=0 à hạt nhân không có spin. Đối với những hạt nhân có cả 2 số là số lẻ hoặc khối lượng là số lẻ thì I có thể là 1/2,3/2,5/2,... Trường hợp số thứ tự lẻ, khối lượng chẵn thì I=1,2,3... Spin hạt nhân gắn với một momen từ mrk:
k
mr =g.Prk (1.2)
g : Tỷ lệ hồi chuyển của một hạt nhân
Hiện tượng tách trạng thái năng lượng: Khi không ở trong một từ
trường thì các trạng thái năng lượng của một dipol hạt nhân bằng nhau. Chúng cùng ở một mức năng lượng, năng lượng Eo. Trong một từ trường đồng nhất, không đổi, momen hạt nhân tương tác với từ trường. Nếu ta cho trục z trùng hướng với đường sức từ trường à Hx=Hy= 0
Mỗi hạt nhân sẽ có (2I+1) vị trí momen từ trong từ trường Hz, các trạng thái khác nhau trong từ trường Hz sẽ có mức năng lượng khác nhau.
Năng lượng tương tác E giữa mrk và Hz là:
à trạng thái mI= -/2 có năng lượng cao hơn trạng thái mI= +1/2. Khoảng cách giữa hai trạng thái năng lượng liền nhau là:
DE = DmIghHz (1.4) Bước nhảy giữa hai mức năng lượng liền kề sẽ xảy ra khi hạt nhân
được một điện từ trường cao tần xoay chiều có tần số ν cung cấp năng lượng phù hợp với phương trình (1.4). Trường hợp này sẽ xuất hiện sự cộng hưởng giữa từ trường xoay chiều và hạt nhân.
Trong quá trình cộng hưởng, các bước chuyển hóa giữa hai mức năng lượng liền kề, từ mức thấp lên mức cao (hấp thụ) và từ mức cao xuống thấp (phát xạ) có cùng xác xuất. Nhờ có sự khác nhau nhỏ về sự chiếm chỗ trong mức năng lượng thấp hơn mà ta quan sát được sự hấp thụ trong thí nghiệm cộng hưởng.
Trong quá trình cộng hưởng, hạt nhân thu năng lượng (hấp thụ) từ
trường xoay chiều mà ta chiếu vào. Do sự chênh lệch về số chiếm chỗ giữa hai mức năng lượng là quá nhỏ nên nhanh chóng bị cân bằng và tín hiệu hấp thụ sẽ biến mất (bão hòa). Mặt khác, hạt nhân cũng cho mất năng lượng trong khi cộng hưởng thông qua trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh hoặc giữa các hạt nhân với nhau một cách không phát xạ. Quá trình này gọi là quá trình hồi phục. Quá trình hồi phục có tác dụng chống lại sự “bão hòa” trong khi cộng hưởng.
Có hai khả năng để xác định sự hấp thụ cộng hưởng: Hoặc giữa từ trường Ho cốđịnh và thay đổi tần số của từ trường xoay chiều cao tần hoặc giữa tần số
từ trường xoay chiều cốđịnh và thay đổi Ho cho đếnkhi có cộng hưởng.
Mẫu nằm giữa hai đầu của một nam châm điện. Từ trường được tạo thành bởi dòng điện một chiều ổn định.
Từ trường xoay chiều cao tần được tạo thành bởi một máy phát cao tần và tác động vào mẫu thông qua một cuộn dây.
Để ghi được phổ Ho thì phải thay đổi (sweep). Việc này do máy sweep thực hiện (sweep generator). Năng lượng do mẫu giải phòng trở lại được đưa
đến bộ thu, được khuyếch đại và đưa vào máy ghi. Người ta ghi cường độ tín hiệu theo sự thay đổi cường độ từ trường Ho.
Độ dịch chuyển hóa học δ là đại lượng đặc trưng cho những hạt nhân bị
che chắn tương đương của một hợp chất. Nó được tính bằng ppm và không phụ thuộc vào từ trường của thiết bị Ho.
Thông thường người ta ghi phổ 1H-NMR và 13C-NMR , phổ COSY, DEPT, HMBC, HSQC để xác định công thức cấu tạo của các chất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CHƯƠNG 2
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU