Nükleer magnetik rezonans (NMR) cihazları
"yüksek-rezolusyon" veya "geniş-hat" cihazlarıdır.
Bunlardan sadece yüksek-rezolusyon cihazları absorbsiyon 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.
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.
Tipik bir NMR spektrometrenin blok
diyagramı
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.
Tipik 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. Bu gereksinimler nedeniyle bir NMR spektranın
en pahalı kısmı magnetidir.
Spektrometrik magnetler üç tiptir:
- Sabit magnetler
- Geleneksel elektromagnetler
- Süperiletken solenoidler (sarmal bobinler)
Ticari cihazların bazılarında 7046 veya 14092 G alan
şiddetli sabit magnetler kullanılır; bunların proton çalışmalarındaki osilatör
frekansları karşılığı 30 ve 60 MHz dır. Ticari elektromagnetlerin alanları
14092, 21140 ve 2349 G'dur, bunlar da 60, 90, ve 100 MHz'lik proton absorbsiyon
frekansları verirler.
Süperiletken magnetler çok daha yüksek resolüsyonlarda
kullanılırlar; alan 11390 G'a kadar çıkar ve karşılığı olan proton frekansı da
470 MHz’dır.
Süperiletken bir magnetin iç
görünüşü
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 gibi, istenilenin 100 katı kadar yüksek, bir değerdir.
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 absorbsiyon 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 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 (3.2.2.) 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 absorbsiyon 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 C8H10O2S
molekülünün aşağıdaki şekilde görülen spektrumunda 3 integral eğrisi vardır. Bu
veriler ve diğer bilgiler de kullanılarak molekülün içerdiği 10 hidrojenin
dağılımı hakkında bilgi edinilebilir. Spektrumdan okunan toplam alan: 36.2 +
15.2 + 22.8 = 74.2 mm, her H için: 74.2/10 = 7.4 mm.
Sonuç:
36.2/7.4 = 4.89 (~5) 15.2/7.4 = 2.05 (~2) 22.8/7.4 = 3.08 (~3)
Sonuç:
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. Yukarıdaki şekilde 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; Şekilde
görülen pedallarla 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.
Yüksek-rezolusyonlu çalışmalarda, örneklerin viskoz olmayan
bir sıvı halde bulunması gerekir. Çoğunlukla %2-15'lik örnek çözeltileri ile
çalışılır. Proton NMR spektroskopisi için en uygun solventler proton içermeyen
solventlerdir; bu bakış açısıyla, karbon tetraklorür ideal bir solventtir. Pek
çok bileşiğin karbon tetraklorürdeki çözünürlüğün az olması kullanılmasını
sınırlar, bu durumda deutöryumlu solventler kullanılır. Deutöryumlu kloroform (CDCl3)
ve deutöryumlu benzen (C6D6) bu amaçla kullanılan
solventlerdir.
