4. Nhiệm vụ của đề tài :
2.2.4 Phƣơng pháp cộng hƣởng từ hạt nhân
2.2.4.1. Cơ sở lý thuyết.
*Spin hạt nhân và cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Hạt nhân nguyên tử bao gồm các proton và các notron (gọi chung là các nucleon). Các hạt nucleon đều có số lƣợng tử spin bằng ½.
Nếu tất cả các nucleon trong hạt nhân đều cặp đôi thì số lƣợng tử spin hạt nhân I = 0. Nếu hạt nhân có 1 spin không cặp đôi thì I = ½, nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I ≥ 1.
- Điều kiện cộng hƣởng từ hạt nhân và sự xuất hiện phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (phổ NMR).
+ Nếu hạt nhân có I = 0 thì momen từ μ = 0, hạt nhân này không có từ tính và không có cộng hƣởng từ hạt nhân.
+ Nếu hạt nhân có I ≠ 0 thì hạt nhân gây ra momen từ μ 0 , hạt nhân này có từ tính và có cộng hƣởng từ hạt nhân. Vậy điều kiện xảy ra cộng hƣởng từ hạt nhân là hạt nhân có I ≠ 0 .
Khi không có từ trƣờng ngoài, mọi hạt nhân có một mức năng lƣợng tƣơng ứng với giá trị số lƣợng tử spin I của nó.
Khi đặt hạt nhân ( I ≠ 0 ) vào trong từ trƣờng Ho thì số định hƣớng của momen từ là 2I + 1 tƣơng ứng với 2I + 1 hạt nhân mới ứng với 2I + 1 năng lƣợng khác nhau. Hiệu số giữa hai mức năng lƣợng hạt nhân là E = γhHo
2π , trong đó γ là tỉ số hồi từ chuyển đặc trƣng cho mỗi hạt nhân, Ho là cƣờng độ từ trƣờng, h là hằng số Plank, γHo
υ =
45
Chiếu sóng radio có tần số đúng bằng υ thì hạt nhân sẽ chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn, ngƣời ta nói đã xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng từ hạt nhân và cho ta phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (phổ NMR).
* Độ dịch chuyển hóa học.
Khi nghiên cứu sự cộng hƣởng từ proton (1HNMR) của các hợp chất, ngƣời ta thấy rằng các proton (hoặc các nhóm proton) cộng hƣởng ở các trƣờng (mạnh, yếu) khác nhau. Nếu sử dụng tần số υ để đặc trƣng cho từ trƣờng thì các proton sẽ cộng hƣởng ở các tần số khác nhau. Từ đó ngƣời ta xác định độ dịch chuyển hóa học có công thức nhƣ sau:
x 6 TMS o υ - υ δ = .10 υ Trong đó:
TMS : tần số cộng hƣởng proton của Tetrametylsilan (TMS)
x: Tần số cộng hƣởng của các proton trong phân tử chất cần phân tích o: Tần số làm việc của máy phổ
46
Phổ cộng hƣởng từ hạt nhân biểu diễn sự phụ thuộc của cƣờng độ cộng hƣởng từ hạt nhân vào độ dịch chuyển hóa học của các nhóm proton trong phân tử.
+ Trục tung: ghi lại cƣờng độ các vân phổ, trục hoành ghi lại độ dịch chuyển hóa học.
+ Trục hoành: ghi lại độ dịch chuyển hóa học, từ trái sang phải cƣờng độ từ trƣờng tăng dần và độ dịch chuyển hóa học giảm dần.
* Sự tách các vân phổ.
Chỉ những hạt nhân có từ tính (I 0) mới gây tách vân phổ của các hạt nhân khác. Các hạt nhân tƣơng đƣơng về dộ dịch chuyển háo học không tách vân phổ của nhau.
Số đỉnh của 1 hạt nhân bị tách ra do tƣơng tác spin – spin với các hạt nhân đồng nhất đƣợc tính theo công thức: 1 + 2. Sk
Trong đó: k là số các hạt nhân đồng nhất với hạt nhân đang xét Sk: số spin của hạt nhân đồng nhất.
Vân không bị tách gọi là vân đơn ( s: singlet)
Vân bị tách làm hai gọi là vân đôi (d: doublet) với tỉ lệ cƣờng độ 1:1 Vân bị tách làm ba gọi là vân ba (t: triplet) với tỉ lệ cƣờng độ 1:2:1
Vân bị tách làm bốn gọi là vân bốn (q: quartet) với tỉ lệ cƣờng độ 4:3:3:1 Vân bị tách làm nhiều đỉnh gọi là vân bội (m: multiplet).
Chú ý: Qui tác này chỉ áp dụng với các hạt nhân có I = ½
Khi xem xét phổ cộng hƣởng từ hạt nhân cần xét đến độ dịch chuyển hóa học, hình dáng vân phổ, cƣờng độ các vân phổ và sự tách các vân phổ để qui kết.