Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Nükleer Magnetik Rezonans; Deneysel Yöntemler (experimental methods)

Nükleer magnetik rezonans cihazları "yüksek-rezolusyon" veya "geniş-hat" cihazlarıdır. Bunlardan sadece yüksek-rezolusyon cihazları absorpsiyon piklerini ince bir şekilde ayırabilir; bu ince yapının özelliğini çekirdeğin kimyasal çevresi saptar. Yüksek rezolusyonda 7000 G'dan daha büyük magnetik alanlar kullanılır. Geniş-hat cihazları kantitatif elementel analizlerde ve bir çekirdeğin fiziksel çevresinin incelenmesi çalışmalarında kullanılır.

(a) Sürekli Dalga (Contınuous Wave, CW) Metodu: Klasik NMR yöntemidir; sabit bir frekansta (örneğin, 200 MHz gibi), sabit bir radyo frekanslı dalga (sürekli dalga, CW) uygulanırken düşük alan kuvvetinden yüksek alan kuvvetine doğru magnetik alan taraması yapılır. Bu metotla bir NMR spektrumu birkaç dakikada alınabilir. Yavaş bir yöntemdir, gürültü seviyesi yüksektir.

(b) Pulslu Fourıer Transform (FT) Metodu: Uyarılmış protonların çoğu hızla uyarılmış hallerinden relaksasyonla eski konumlarına dönerler. Uyarıcı puls, veri topluluğunun (FID) oluşması ve bilgisayarlı FT sadece birkaç saniye içinde gerçekleşir. Puls ve veri toplanma çevrimleri her birkaç saniyede tekrarlanabilir. Çok kısa zaman içinde yapılan tekrarlamalar örnek sinyalinin gürültü sinyallerinden temizlenmesini sağlar. Hızlı bir yöntemdir, gürültü seviyesi düşüktür. (Şekil-10)

Şekil-9: Tipik bir NMR spektrometrenin blok diyagramı

Şekil-10: Bir pulslu NMR spektrometrenin blok diyagramı

Magnet: Bir NMR spektrometrenin hassasiyeti ve rezolusyonu, magnetinin kalitesine ve kuvvetine çok bağlıdır. Alan kuvveti arttıkça hassasiyet ve rezolusyon da artar; ayrıca, alanın çok homogen ve tekrarlanabilir olması gerekir. Spektrometrik magnetler üç tiptir: Sabit magnetler, geleneksel elektromagnetler ve süperiletken solenoidler (sarmal bobinler). Bazı cihzlarda 7046 veya 14092 G alan şiddetli sabit magnetler kullanılır; bunların proton çalışmalarındaki osilatör frekansları karşılığı 30 ve 60 MHz dır. Elektromagnetlerin alanları 14092, 21140 ve 2349 G'dur, bunlar da 60, 90, ve 100 MHz'lik proton absorpsiyon frekansları verirler. Süperiletken magnetler çok daha yüksek resolüsyonlarda kullanılırlar; alan 11390 G'a kadar çıkar ve karşılığı olan proton frekansı da 470 MHz dır. (Şekil-11)

Bir spektrometre magnetinin performans şartnameleri çok sıkıdır. Üretilen alan örnek alanına birkaç ppb kadar yakın olmalı ve kısa zaman periyotlarında ayni hassasiyet derecelerinde kararlılık göstermelidir. Ne yazık ki magnetlerin çoğu kendi özelliklerinden dolayı bu derece kararlı değildirler; 1 saatlik periyotta gözlenen değişiklikler 10⁷ kısımda ~1 kısım, istenilenin ~100 katı yüksek, bir değerdir.

Şekil-11: Süperiletken bir magnetin iç görünüşü

Shim Sistem (Alan Tarama Jeneratörü): İyi bir rezolusyon elde edebilmek için magnetik alanın homojen olması gerekir; ancak homojenlik, örnek tarafından veya, magnetten gelen kusurlar veya dış ferromagnetik etkenlerden dolayı sağlanamayabilir. Shim sistem, magnetin en homojen olduğu kısma yerleştirilmiş, örneğin bulunduğu alanı (örnek probunu) saran çok sayıda özel küçük sarımlardır. Shim sarımları çok az akım taşır, dolayısıyla yardımcı bir magnetik alan yaratarak ana magnetik alanda homojenlik sağlar. Magnet yüzeylerine paralel olarak yerleştirilmiş bir çift sarım, paralel alanın dar bir aralıkta değişmesini sağlar. Bu sarımlardan farklı doğru akımlar geçirilerek, alanın homojenliği kaybedilmeden alan birkaç yüz mG kadar değiştirilebilir.

Alan kuvveti, normalde, zamanla doğrusal olarak otomatik bir şekilde değiştirilir ve bu değişiklik bir kaydedicinin doğrusal hareketine bağlanır. 60 MHz'lik bir proton cihazı için, tarama aralığı 1000 Hz (235 miligaus) veya bunun tam sayılı kesirleri kadardır. ¹⁹F ve ¹³C gibi çekirdekler için 10 KHz gibi büyük taramalar gerekir.

Kilitleme (Lock) Sistemi: Tüm ticari NMR cihazlarında bir "frekans kilitleme" sistemi kullanılır. Bunda, referans bir çekirdek sürekli olarak ışınlandırılır ve magnetin alan kuvvetinde kendi rezonans maksimumuna uygun bir frekansta izlenir. Magnetik alandaki sürüklenmeler referans absorpsiyon sinyalinde değişikliklere sebep olur. Bu değişiklikler, bir geri besleme devresine gönderilir, devrenin çıkışı magnetik aralıktaki sarımlara o şekilde bağlanmıştır ki sürüklenmeden kaynaklanan sinyal değişikliği burada düzeltilir. Böylece bir referans çekirdekle sinyal değişikliği düzeltmesi yapılmış olur. Alan kuvvetleri ve rezonans frekansları arasındaki oran ise "çekirdeğin tipine bağlı olmayan" bir sabittir. Böylece referans sinyal için yapılan sürüklenme düzeltmesi örnek alanı içindeki tüm çekirdeklerin sinyallerine uygulanabilir. Kilitleme sistemleri iki tiptir: dış kilitleme sistemi ve iç kilitleme sistemi.

Dış kilitleme sisteminde referans madde için ayrı bir kap kullanılır; bu kap analit kabına olabildiği kadar yakın yerleştirilmelidir. İç kilitleme sisteminde ise referans madde örneğin bulunduğu çözeltide çözülür. Burada kullanılan referans, çoğunlukla tetrametilsilan (TMS) dır, bu maddeden ayni zamanda bir iç standart ) olarak yararlanılır. Dış kilitleme sistemi kolay çalıştırılır, örnek değiştirme sırasında kontrol kaybedilmez. Ancak, ayrı bir kapta bulunduğundan örneğin karşılaştığı alan değişikliklerini çok iyi kontrol edemez. İç kilitleme sistemi 10¹⁰ kısımda bir kısmı (0.1 ppb) kontrol edebildiği halde, dış kilitleme sistemi 10⁹ kısımda 1 kısmı (1 ppb) kontrol edebilir.

Radyo-Frekansı Kaynağı: Bir radyo-frekansı osilatöründen alınan sinyal, alan yoluna 90⁰ 'lik açı ile yerleştirilmiş olan bir çift sarıma beslenir. Normal olarak tam 60, 90 veya 100 MHz'lik sabit bir osilatör kullanılır; yüksek rezolusyonlu çalışmalarda frekans 1 ppb aralığında sabit olmalıdır. Bu kaynağın güç çıkışı 1W'dan küçüktür ve birkaç dakikalık zamanda %1'i seviyesinde sabit kalmalıdır. Çıkan sinyal düzlem polarizedir.

Sinyal Dedektörü ve Kaydedici Sistem: Rezonans çekirdeklerin ürettiği radyo-frekansı sinyali, örneği saran ve kaynak sarımına dik açıda bulunan bir sarımda algılanır. Sarımlarda oluşan elektrik sinyali küçüktür ve kaydedilmeden önce >10⁵ kat yükseltilmelidir.

Bir NMR kaydedicinin absis hareketi spektrumun taramasına bağlanır; kaydedici, çoğu zaman, tarama hızını belirler. Kaydedicinin algılaması çok hızlı olmalıdır; tarama hızının değiştirilebilir olması tercih edilen bir özelliktir. NMR kaydedicilerde absorpsiyon piklerinin altındaki alanları hesaplayan elektronik integratörler bulunur. NMR spektrumun üstünde, çoğunlukla, basamaklar görünümünde çıkan integral veriler de bulunur. Alan verilerinin tekrarlanabilirliği, değerlerine göre % birkaç seviyesindedir. Her kimyasal çevredeki absorblayan çekirdeklerin relatif sayısı pik alanlarından tahmin edilebilir; bu nedenle pik alanlarının değerleri önemli verilerdir. Bu bilgiler örneğin kimyasal yapısının çıkarılmasında çok önemlidir. Pik alanlarından kantitatif analitik çalışmalarda da yararlanılır. Örneğin, Şekil-12’de verilen C₈H₁₀O₂S molekülünün NMR spektrumunda 3 integral eğrisi vardır. Bu veriler ve diğer bilgiler de kullanılarak molekülün içerdiği 10 hidrojenin dağılımı hakkında bilgi edinilebilir.

Şekil-12: C₈H₁₀O₂S molekülünün NMR spektrumu

Spektrumdan okunan toplam alan:

Sonuç:

	*d, ppm	*integral	H sayısı	grup
aromatik grup	8-7.5	5	5H	C₆H₅	C₆H₅–
kuartet	3.2-2.9	2	2H	CH₂	–CH₂–CH₃
triplet	1.3-1.1	3	3H	CH₃	–CH₂–CH₃

Örnek Tutucu ve Örnek Probu: Normal NMR örnek hücresi dış çapı 5mm olan, 0.4 ml örnek alan cam bir tüptür. Daha az miktarlarla çalışıldığında mikro büretler de kullanılabilir. Örnek probu örnek tüpünü, alanda sabit bir noktada tutmakta kullanılan bir sistemdir. Şekil-13’de görüldüğü gibi bir NMR probunda sadece örnek tutucu değil, tarama kaynağı ve dedektör sarımları da bulunur, böylece örneğin kaynak ve dedektöre göre daima ayni konumda olması sağlanır. Dış kilitlemede kullanılan referans hücre ve sıvı da ayni sistemde bulunur.

Dedektör ve toplayıcı sarımlar, örnek olmadığı zaman, güç transferini en düşük düzeyde tutabilmek amacıyla birbirine göre dik konumlarda yerleştirilmişlerdir. Buna rağmen kaynak ve toplayıcı arasında bir miktar güç sızıntısı olur; bu sızıntı uygun seviyelere düşürülür. Örnek probuna hava ile çalışan bir türbin takılarak örnek tüpünün, yatay eksen boyunca birkaç yüz rpm hızla dönmesi sağlanabilir. Bu dönme alandaki homojensizliklerin etkisini yok eder; sonuçta keskin hatlar ve daha iyi bir rezolusyon alınır.

Şekil-13: Bir örnek probu

Yüksek-rezolusyonlu çalışmalarda, örnekler viskoz olmayan sıvı halde olmalıdır. Çoğunlukla %2-15'lik örnek çözeltileri ile çalışılır. Proton NMR spektroskopisi için en uygun solventler proton içermeyen solventlerdir; bu bakış açısıyla, CCl₄ ideal bir solventtir.

GERİ