5. Bố cục khóa luận
2.3.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân
a. Nguyên tắc của phương pháp phổ NMR
b. Cấu trúc nguyên tử Thành phần của hạt nhân
Hạt nhân bao gồm hai loại hạt đó là proton và neutron. Số proton trong hạt
Hình 2.5. Sơ đồ chuyển mức năng lượng của hạt nhân
B0
Thay đổi cân bằng số hạt nhân, nhiều hạt nhân bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao
Hạt nhân có spin I ở trạng thái cơ bản Các hạt nhân trở về trạng thái thấp hơn - E = hv Ghi nhận bằng detector E = hv
Tạo ra 2I+1 mức năng lượng của hạt nhân, cân bằng số hạt nhân ở mức năng lượng cao và ở trạng thái cơ bản
nhân xác định tính đồng nhất và điện tích hạt nhân. Hạt nhân có 1 proton là hạt nhân hidro, hạt nhân có 6 proton là hạt nhân carbon.
Tính chất của hạt nhân
Các hạt nhân của nguyên tử tích điện dương, luôn luôn tự quay quanh trục của nó, khi quay như vậy nó sinh ra một moment quán tính gọi là moment spin hạt nhân P và moment từ 𝜇⃗. Mặt khác, khi hạt nhân nguyên tử quay quanh trục của nó thì điện tích hạt nhân sẽ chuyển động trên một vòng tròn quanh trục quay, làm xuất hiện một dòng điện. Mỗi một dòng điện bao giờ cũng kèm theo một từ trường nên khi hạt nhân quay cũng xuất hiện một từ trường có moment từ 𝜇⃗ và hạt nhân trở thành một nam châm vĩnh cửu. Moment spin hạt nhân P tỉ lệ thuân với moment từ 𝜇⃗.
μ
⃗⃗ = γ × P
Trong đó là hằng số hồi chuyển từ đặc trưng cho mỗi hạt nhân nguyên tử.
Spin hạt nhân
Hạt nhân mỗi đồng vị được đặc trưng bởi số lượng tử spin I có liên quan đến moment từ và moment spin hạt nhân. I có thể nhận giá trị nguyên hoặc không nguyên tùy thuộc vào số khối của hạt nhân.
P = √I(I + 1) h
2π
μ = √I(I + 1) h
2πγ
Bảng 2-1. Số lượng tử spin hạt nhân
Số khối A Lẻ Chẵn Chẵn
Số thứ tự Z Chẵn/lẻ Chẵn Lẻ
Số lượng tử spin ½, 3/2, 5/2 0 1,3,5
Ý nghĩa của số lượng tử spin hạt nhân
- Đối với I = 0: Hạt nhân không có spin, thì không có moment từ (μ = 0) tức là không có từ tính. Khi đó người ta nói hạt nhân không hoạt động từ và không có cộng hưởng từ hạt nhân.
- Đối với I 0: Hạt nhân gây ra một moment từ khác không. Hạt nhân đó hoạt động từ và có cộng hưởng từ hạt nhân.
c. Hạt nhân trong từ trường Hiệu ứng Zeeman
Khi đặt một tập hợp hạt nhân trong từ trường ngoài, trạng thái spin của hạt nhân bị phân tách về mặt năng lượng, với giá trị m dương lớn nhất tương ứng với trạng thái năng lượng thấp nhất. Sự phân tách trạng thái trong từ trường gọi là hiệu ứng Zeeman. Vì vậy trong từ trường ngoài, các trạng thái spin không tương đương về mặt năng lượng. Trong từ trường B0, năng lượng của hạt nhân được tính theo công thức:
E = −μZB0với 𝜇 = 𝑚 ℎ
2𝜋𝛾
Hạt nhân chiếm hai mức năng lượng khác nhau trong từ trường ngoài. Hạt nhân có moment từ 𝜇⃗ cùng chiều với từ trường ngoài B0 thì sẽ chiếm mức năng lượng thấp:
E1 = −1
2 h
2πγB0
Hạt nhân có moment 𝜇⃗ ngược chiều với từ trường ngoài B0 thì sẽ chiếm mức năng lượng cao:
E1 = +1
2 h
2πγB0
Hai định hướng của hạt nhân trong từ trường ngoài tương ứng với hai mức năng lượng khác nhau và hiệu hai mức năng lượng này là
∆E = h
2πγB0 = hv0
Điều kiện cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy ra khi các hạt nhân được đặt cùng hướng với từ trường áp dụng hấp thụ năng lượng và chuyển sự định hướng spin của chúng đối với từ trường áp dụng.
-1/2
+1/2
+hv
Hình 2.7. Hấp thụ năng lượng xảy ra đối với proton và các hạt nhân có số lượng tử spin +1/2
Hiệu năng lượng giữa hai mức:
∆E = h
2πγB0 (1)
Biểu thức này cho thấy ∆E phụ thuộc vào bản thân hạt nhân và vào cường độ của từ trường áp đặt cho hạt nhân.
Vì ∆𝐸 = ℎv nên ta có
= γ
2πB0 (2)
(1) gọi là điều kiện cộng hưởng từ của hạt nhân có I = 1/2.
Những chuyển dời có thể gây ra bằng cách tác dụng lên hạt nhân một trường điện từ dao động có tần số thỏa mãn điều kiện cộng hưởng từ. Khi ta chiếu vào mẫu nghiên cứu một sóng vô tuyến có tần số xác định thì các hạt nhân ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thu năng lượng của sóng vô tuyến để chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Lúc đó có xảy ra cộng hưởng từ hạt nhân[1],[2].
d. Độ chuyển dịch hóa học Hằng số chắn
Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyên nhân:
- Hiệu ứng nghịch từ: các điện tử bao quanh nguyên tử sinh ra một từ trường
Hướng của từ trường áp dụng (B0)
riêng, ngược chiều với từ trường ngoài nên làm giảm tác dụng của nó lên hạt nhân nguyên tử. Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thì từ trường riêng ngược chiều với từ trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn.
- Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này chuyển động sinh ra dòng điện vòng, do đó xuất hiện một từ trường riêng có hướng thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài. Tập hợp tất cả các điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ tạo nên một mặt parabol. Phía trong mặt parabol, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài. Phía trong parabol thì từ trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với môi trường ngoài. Như vậy hiệu ứng chắn phía ngoài nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn, độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài sẽ lớn còn phía trong thì nhỏ.
Hình 2.8. Sơ đồ hiệu ứng thuận từ của một số nhóm
Khái niệm độ chuyển dịch hóa học
Sự chuyển dịch hóa học là một hiệu ứng của cộng hưởng từ hạt nhân gây ra do sự che chắn của các đám mây electron quanh hạt nhân. Chính sự che chắn đó mà từ trường thực tác dụng vào hạt nhân sẽ khác với cường độ B0 của từ tường ngoài.
Độ chuyển dịch hóa học là vị trí mà hạt nhân hấp thụ năng lượng để có hiện tượng cộng hưởng. Độ chuyển dịch hóa học cho biết vị trí cộng hưởng mà không phụ thuộc vào tần số hoạt động của thiết bị.
Độ chuyển dịch hóa học được tính bằng công thức sau:
δ =vX− vTMS(Hz)
v0(MHz)
v TMS: Tần số cộng hưởng của các proton tương đương trong phân tử TMS (Hz)
v0: Tần số máy đó (MHz)
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển dịch hóa học
- Độ âm điện của nguyên tử gắn vào nhân
- Hiệu ứng điện tử (hiệu ứng cảm và cộng hưởng)
- Hiệu ứng bất đẳng hướng (nghịch từ, thuận từ và hiệu ứng vòng) - Hiệu ứng điện trường
- Hiệu ứng do sự quay bị giới hạn - Hiệu ứng dung môi
e. Tương tác spin-spin
Trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton 1H NMR, mỗi proton hoặc một nhóm proton có tín hiệu hoặc peak đặc trưng chỉ có một đỉnh hoặc nhiều đỉnh. Nguyên nhân của sự xuất hiện nhiều đỉnh là do 1H có số lượng tử spin I = ½ tương ứng với hai số lượng tử từ ms = ± ½ và hai từ trường riêng. Hai từ trường này tác dụng lên hạt nhân bên cạnh và từ trường hiệu dụng tác dụng lên hạt nhân bên cạnh được phân thành hai mức khác nhau. Nguồn gốc của sự tách peak này được gọi là tương tác spin-spin.
f. Ứng dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân trong phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ:
Phổ 1H NMR
- Từ 0,8 đến 1,8 ppm: Các proton trong vùng này thường liên kết với các nguyên tử C lai hóa sp3 của các nhóm CH, CH2, CH3 nằm cách xa các nguyên tử âm điện. Các nhóm có nhiều proton gắn vào hơn sẽ bị che chắn nhiều hơn và xuất hiện ở trường cao hơn. Nhóm CH3 bị che chắn nhiều hơn nên sẽ xuất hiện ở giá trị ppm thấp hơn.
- Từ 1,8 đến 3,0 ppm: Vùng này có các proton nằm trên các nguyên tử C lai hóa sp3 nằm cạnh các nhóm C=O, C=C như CH2 – C=O, C=C – CH2 – và nhân thơm CH2 – Ar.
C lai hóa sp3 gắn trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn thường là oxy hay nguyên tử nhóm halogen như – CH2 – Cl, CH2 – Br, CH2 – O.
- Từ 4,5 đến 7,0 ppm: Vùng này liên quan đến proton gắn trực tiếp với C lai hóa sp3 của liên kết đôi C=C trong anken.
- Từ 6,5 đến 8,5 ppm: Vùng này của các proton gắn trực tiếp với C lai hóa sp2 của liên kết đôi C=C của vòng benzene hay các hợp chất thơm khác.
- Từ 9,0 đến 10,0 ppm: Vùng này của các proton aldehyde, các proton gắn trực tiếp với nhóm C=O.
- Từ 11,0 đến 13,0 ppm: Vùng này của proton acid carboxylic.
Phổ 13C NMR
- Từ 10 đến 50 ppm: Các nguyên tử C nhóm CH3, CH2, CH xuất hiện trong khoảng peak này. Nhóm CH3 bị che chắn nhiều hơn nhóm CH3 nên xuất hiện ở giá trị ppm nhỏ hơn so với nhóm CH2.
- Từ 35 đến 80 ppm: Các nguyên tử C trong nhóm này bao gồm: CH2 – Cl, - CH2 – Br, - CH2 – O… Nguyên tử C trong CC xuất hiện ở giá trị 65 đến 80 ppm.
- Từ 110 đến 175 ppm: Xuất hiện các peak của nhóm C=C trong anken và các hợp chất thơm.
- Từ 160 đến 220 ppm: Nhóm carbonyl xuất hiện ở độ chuyển dịch lớn của phổ 13C. Các nhóm C=O của ester và acid carboxylic xuất hiện ở vùng thấp hơn (160 đến 185 ppm), ketone và aldehyde xuất hiện ở vùng cao hơn (185 đến 220 ppm).
2.3.3. Phương pháp phổ khối lượng (MS)[1],[2] a. Nguyên tắc chung
Khi cho các phân tử ở trạng thái khí va chạm với một dòng electron có năng lượng cao thì từ các phân tử sẽ bật ra 1 hay 2 electron và nó trở thành các ion có điện tích 1+ và 2+.
ABC + e
ABC + 2e
ABC2+ + 3e
Nếu các ion phân tử tiếp tục va chạm với dòng electron có năng lượng lớn thì chúng sẽ bị phá vỡ thành nhiều mảnh ion, thành các gốc hoặc các phân tử trung hòa
khác nhau được gọi là quá trình phân mảnh.
ABC A+ + BC
ABC AB+ + C
Năng lượng quá trình phân mảnh chỉ vào khoảng 30-100eV, cao hơn năng lượng ion hóa phân tử (8-15eV). Quá trình biến các phân tử trung hòa thành các ion được gọi là sự ion hóa.
Các ion có khối lượng và điện tích. Tỷ số khối lượng/điện tích (m/z) được gọi là số khối M. Bằng cách nào đó tách các ion có số khối khác nhau ra khỏi nhau và xác định được xác suất có mặt của chúng rồi vẽ đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa xác suất có mặt và số khối M.
b. Cấu tạo khối phổ kế
Từ nguyên tắc chung của phương pháp, khối phổ kế gồm 4 phần chính: - Hóa khí mẫu: các chất rắn hay lỏng được đưa vào buồng mẫu có áp suất giảm 106 mmHg biến thành dạng khí. Lượng mẫu cần 0,1-1mg.
- Ion hóa: dẫn dòng phân tử khí chạy qua một dòng electron có hướng vuông góc với nó để ion hóa rồi đi qua điện trường U để tăng tốc.
- Tách ion theo khối lượng - Nhận biết ion bằng detector.
Hóa khí mẫu
Các mẫu được nạp vào phổ kế có thể ở dạng khí, lỏng hay rắn. Trước tiên mẫu được nạp vào một buồng kín dưới áp suất thấp từ 10-5 đến 10-7 mmHg và nhiệt độ đốt nóng có thể đến 200oC. Dưới điều kiện này thì hầu hết các chất lỏng và rắn đều biến thành thể hơi.
Hình 2.9. Sơ đồ khối phổ kế
Ion hóa mẫu
Mẫu sau khi đã hóa hơi được dẫn vào buồng ion hóa để biến các phân tử trung hòa thành các ion. Quá trình ion hóa này có thể thực hiện theo một số phương pháp khác nhau như phương pháp va chạm electron, phương pháp ion hóa hóa học, phương pháp ion hóa trường, phương pháp ion hóa proton và phương pháp bắn phá ion.
Tách các ion theo số khối
Các ion hình thành có số khối m/e được phân tách ra khỏi nhau bằng các thiết bị khác nhau như thiết bị phân tách ion hội tụ đơn, hội tụ kép và tứ cực.
Detector
Các ion đi ra từ bộ phận tách có cường độ nhỏ nên cần khuếch đại để phát hiện. Một trong những thiệt bị này là máy nhân electron. Nó tạo ra các electron thứ cấp khi có ion ban đầu đập vào bề mặt tấm kim loại.
Ghi nhận tín hiệu
Các tín hiệu từ bộ khuếch đại truyền ra được nạp vào bộ nhớ máy tính rồi xử lý kết quả và in ra phổ. Các phổ được biểu diễn dưới dạng phần trăm basis (%B), đỉnh cao nhất có cường độ 100% và các đỉnh khác nhỏ hơn.
Ion hóa tia điện (ESI)
ESI là một kỹ thuật ion hóa được ứng dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực, có khối lượng phân tử lớn. ESI có khả năng tạo thành những ion đa điện tích (dương hoặc âm tùy thuộc vào áp cực điện thế), thích hợp cho phân tích các hợp chất sinh học như protein, peptide, nucleotide,… hoặc các polymer công nghiệp
như polyethylen glycol.
Hình 2.10. Quá trình hình thành các ion của phương pháp ESI
Được bắt nguồn từ hệ thống sắc ký lỏng, tại đầu ống dẫn mao quản, dưới ảnh hưởng của điện thế cao và sự hỗ trợ của khí mang, mẫu được phun thành những hạt sương nhỏ mang tích điện tại bề mặt. Khí ở xung quanh các giọt này tạo nhiệt năng làm bay hơi dung môi ra khỏi giọt sương. Khi đó, mật độ điện tích tại bề mặt hạt sương gia tăng. Mật độ điện tích này tăng đến một điểm giới hạn để từ đó hạt sương phân chia thành những hạt nhỏ hơn vì lực đẩy lúc này lớn hơn sức căng bề mặt. Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần để hình thành những hạt rất nhỏ. Từ những hạt rất nhỏ mang điện tích cao này, các ion phân tích được chuyển thành thể khí bởi lực đẩy tĩnh điện rồi sau đó đi vào bộ phân phân tích khối.
Trong kỹ thuật ESI, phân tử nhất thiết phải được chuyển thành chất điện ly, tan trong dung dịch dùng để phun sương. Điều này phụ thuộc vào dung môi sử dụng, pKa của chất điện ly và pH của dung dịch. Các dung môi phù hợp để phun sương là methanol, acetonitrile, ethanol,…
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN