Tài liệu Phương pháp phổ cộng hưởng từ nhân tính chất từ của hạt nhân

PHÖÔNG PHAÙP PHOÅ COÄNG HÖÔÛNG TÖØ NHAÂN  
TÍNH CHAÁT TÖØ CUÛA HAÏT NHAÂN  
• Giaû thuyeát raèng haït nhaân coù daïng hình caàu mang ñieän tích  
döông vaø söï phaân boá maät ñoä ñieän tích ít nhieàu ñoàng ñieàu treân  
maët caàu  
• Haït nhaân tích ñieän vaø töï xoay quanh mình neân coù theå xem laø  
doøng ñieän troøn vaø seõ taïo moät töø tröôøng coù momen töø:  
P  
P
\
+ ++  
+ + + + + +  
+ + + + + +  
+ + + + + +  
+ + + + +  
+ + + +  
N
S
P
(spin haït nhaân – momen ñoäng löôïng)  
haèng soá tyû leä töø hoài chuyeån  
• Khi ñaët haït nhaân vaøo töø tröôøng cuûa moät nam chaâm seõ sinh ra  
moät löïc laøm leäch höôùng töø cuûa haït nhaân. Momen töø coù  
khuynh höôùng saép xeáp cuøng höôùng vôùi töø tröôøng töông töï  
nhö tröôøng hôïp kim nam chaâm trong la ban:  
   
E B.  
E  B..cos  
ta thaáy E nhoû nhaát khi kim nam khi 0(B vaø  
höôùng vôùi nhau)  
cuøng  
• Naêng löôïng cuûa haït nhaân ñöôïc löôïng töû hoaù neân chæ coù theå  
nhaän moät soá giaù trò cuûa E phuø hôïp vôùi traïng thaùi naêng löôïng  
töông öùng:  
Hieäu cuûa 2 möùc naêng löôïng cuûa haït nhaân laø   h  
Möùc naêng löôïng cuûa haït nhaân phuï thuoäc vaøo I vaø mI  
I – soá löôïng töû spin cuûa haït nhaân  
mI-soá löôïng töû töø haït nhaân mI=I, I-1, I-2, ...., -I coù 2I+1 giaù trò  
h
P I(I 1)  
2  
h
  
I(I 1)  
2  
h
P mI  
z
2  
h
hình chieáu leân Z  
z mI  
2  
töø ñaây ta thaáy raèng vôùi moãi I thì P coù 2I+1 khaû naêng ñònh höôùng  
khaùc nhau coù nghóa laø haït nhaân coù 2I+1 möùc naêng löôïng khi ñaët  
vaøo töø tröôøng ( töông töï vì cuøng höôùng vôùi P)  
CAÁU TAÏO HAÏT NHAÂN VAØ SOÁ LÖÔÏNG TÖÛ SPIN I  
I lieân quan chaët cheõ vôùi soá proton vaø khoái löôïng nguyeân töû theo  
quy luaät sau ñaây:  
Soá khoái A  
Soá Z (soá  
proton)  
I
leû  
chaün  
chaün  
chaün  
leû  
Chaün hay leû  
1/2 3/2 5/2  
0
1
3
3
7
5
11  
Soá möùc naêng 2  
löôïng  
4
6
mI  
1/2  
3/2  
1/2  
5/2  
3/2  
1/2  
1
3
2
1
5
4
3
2
1
0
0
Momen töø  
0  
0 0  
Hieän töôïng  
coäng höôûng  
Coù  
khoâng  
coù  
z  
1H, 19F, 13C  
I=1/2  
B0  
z  
2D, 14N  
I=1  
B0  
z  
11B, 7Li, 23Na  
I=3/2  
B0  
ÑIEÀU KIEÄN COÄNG HÖÔÛNG TÖØ HAÏT NHAÂN  
E  B0cos B0z  
h
E  mI B0  
2  
ñoái vôùi haït nhaân coù I=1/2 ta coù mI=  
1/2 ; ½ töông öùng vôùi möùc  
E thaáp, -1/2 töông öùng vôùi vôùi möùc cao  
1 h  
   
2 2  
   
E1     
B0  
B0  
   
1 h  
   
E2     
   
2 2  
   
h
 E E2 E1 B0 h  
2  
1
B0  
2  
Ñaây laø ñieàu kieän coäng höôûng. Taàn soá naøy töông öùng vôùi taàn soá  
vuøng soùng voâ tuyeán nhöng do momen töø cuûa moãi haït nhaân khaùc  
nhau neân taàn soá böùc xaï kích thích cuõng khaùc nhau (vuøng taàn soá  
voâ tuyeán 100cm )  
Taàn soá coäng höôûng cuûa moät soá haït nhaân  
Haït nhaân  
B0,  
G
10000  
23487  
23487  
23487  
Haèng soá  
(104s-1G-1)  
2675  
672,6  
2516,7  
1082,9  
Taàn soá coäng höôûng  
MHz  
töø  
1H  
42,5759  
25,145  
94,094  
40,481  
13C  
19F  
31P  
HIEÄN TÖÔÏNG TÍCH THOAÙT SPIN-MAÏNG LÖÔÙI VAØ ÑIEÀU  
KIEÄN NHAÄN TÍN HIEÄU COÄNG HÖÔÛNG TÖØ NMR  
• Khi ñaët vaøo töø tröôøng naêng löôïng haït nhaân coù I=1/2 bò taùch  
laøm 2 möùc. Söï phaân boá caùc haït nhaân ôû hai möùc tuaân theo  
ñònh luaät Boltzman :  
N2  
eE E / RT 0,99999043  
1   
2
N1  
ta thaáy raèng soá haït nhaân naèm ôû möùc thaáp N1 bao giôø cuõng nhieàu  
hôn soá haït nhaân naèm ôû möùc cao N2  
• Khi caáp naêng löôïng cho proton baèng töø tröôøng bieán thieân coù  
taàn soá baèng ñuùng taàn soá coäng höôûng caùc proton haáp thuï naêng  
löôïng vaø chuyeån leân möùc naêng löôïng cao. Moät quaù trình  
ngöôïc laïi (phaùt xaï) cuõng xaûy ra ñoàng thôøi do caùc proton  
chuyeån töø möùc cao veà möùc thaáp.  
• Trong moät ñon vò thôøi gian thì soá proton nhaûy töø möùc döôùi  
leân möùc treân nhieàu hôn quaù trình ngöôïc laïi (N1>N2) ta quan  
saùt ñöôïc hieän töôïng coâng höôûng töø. Traïng thaùi caân baèng  
ñöôïc thieát laäp sau moät thôøi gian vaø theo quy luaät ta seõ khoâng  
coøn quan saùt ñöôïc hieän töôïng coäng höôûng nöõa  
• Treân thöïc teá hieän töôïng coäng höôûng töø ñöôïc quan saùt moät  
caùch lieân tuïc do xaûy ra caùc quaù trình trao ñoåi naêng löôïng  
khoâng phaùt xaï. Ñoù laø quaù trình trao ñoåi naêng löôïng giöõa haït  
nhaân kích thích vaø haït nhaân khaùc loaïi vaø caùc ñieän töû xung  
quanh, goïi laø hieän töôïng tích thoaùt spin-maïng löôùi, haït nhaân  
kích thích coøn coù theå truyeàn naêng löôïng cho haït nhaân cuøng loaïi  
ôû möùc döôùi-goïi laø hieän töôïng tích thoaùt spin-spin.  
• Tích thoaùt spin-maïng löôùi ñaëc tröng baèng thôøi gian tích thoaùt  
T1 , tích thoaùt spin-spin ñaëc tröng baèng T2. T1 vaø T2 aûnh  
höôûng maïnh ñeán ñoä roäng cuûa vaïch phoå theo bieåu thöùc:  
1
  
2T2  
trong chaát raén T1 lôùn T2 nhoû neân ñænh phoå roäng  
chaát loûng coù T2 lôùn neân ñænh phoå nhoïn  
Ñænh phoå cuûa chaát raén  
Ñænh phoå cuûa chaát loûng  
ÑOÄ DÒCH CHUYEÅN HOAÙ HOÏC  
HAÈNG SOÁ CHAÉN VAØ TÖØ TRÖÔØNG HIEÄU DUÏNG  
• Neáu ñaët haït nhaân vaøo töø tröôøng thì lôùp voû ñieän töû seõ sinh ra  
moät löôõng cöïc töø maø cöôøng ñoä cuûa noù ngöôïc höôùng vôùi töø  
tröôøng ngoaøi. Hieän töôïng naøy cuõng töông töï nhö vieäc sinh ra  
doøng ñieän caûm öùng trong cuoän daây, doøng ñieän caûm öùng naøy  
coù chieàu sao cho töø tröôøng maø noù sinh ra ngöôïc höôùng vôùi töø  
tröôøng taùc duïng leân noù ñeå choáng laïi söï thay ñoåi naøy:  
  
B
i
+
  
B'  
ñieän töû chuyeån ñoäng treân quyõ ñaïo coù theå xem nhö moät doøng  
ñieän kín, doøng ñieän caûm öùng sinh ra seõ taêng cöôøng hay suy giaûm  
doøng ñieän toång (doøng ñieän cuûa ñieän töû vaø doøng ñieän caûm öùng)  
coøn tuyø thuoäc vaøo chieàu cuûa doøng ñieän quyõ ñaïo cuûa ñieän töû  
nhöng doøng ñieän caûm öùng luùc naøo cuõng sinh ra moät töø tröôøng  
ngöôïc chieàu vôùi töø tröôøng ngoaøi. Töø ñaây suy ra treân taát caû caùc  
quyõ ñaïo cuûa ñieän töû ñieàu xuaát hieän moät töø tröôøng vaø töø tröôøng  
toång ñaët taïi vò trí haït nhaân ngöôïc chieàu vôùi töø tröôøng ngoaøi.  
• Vì vaäy taïi vò trí haït nhaân töø tröôøng B0 ñaõ bò yeáu ñi chæ coøn laø:  
Be B0 (1)  
Be – töø tröôøng hieäu duïng taùc duïng leân haït nhaân  
- haèng soá chaén  
4e2  
  
r.r .dr  
   
3mc2  
m – khoái löôïng e  
c – toác ñoä aùnh saùng  
- maät ñoä ñieän töû bao quanh haït nhaân  
r –khoaûng caùch töø taâm haït nhaân  
•
caøng lôùn khi e caøng nhieàu vaø Be caøng nhoû  
• Ñoái vôùi haït nhaân trong phaân töû söï che chaén ñieän töû phöùc taïp  
hôn nhieàu do aûnh höôûng cuûa caùc ñaùm maây ñieän töû laân caän  
Xeùt moät ví duï: xeùt proton H cuûa tetrametylsilan vaø axeton  
CH3  
CH3  
Si  
CH3  
CH3  
CO  
CH3  
CH3  
TMS  
axeton  
Nhoùm C=O huùt ñieän töû maïnh laøm ñaùm maây ñieän töû ôû proton H  
cuûa axeton nhoû hôn ôû proton H cuûa TMS neân haèng soá chaén  
cuûa proton cuûa TMS lôùn hôn cuûa axeton coù nghóa laø tröôøng  
hieäu duïng Be taùc duïng leân H cuûa TMS nhoû hôn  
Nhö vaäy ta thaáy cuøng moät proton H nhöng ôû hai chaát khaùc nhau  
seõ cho taàn soá coäng höôûng khaùc nhau do tröôøng hieäu duïng khaùc  
nhau vì baây giôø:  
1
e Be  
2  
• Coù hai phöông phaùp thu tín hieäu coäng höôûng: queùt tröôøng  
feld-sweep vaø queùt taàn frequenz-sweep  
Queùt tröôøng: giöõ nguyeân taàn soá cuûa töø tröôøng bieán thieân vaø thay  
ñoåi giaù trò B0 ñeå thu ñöôïc tín hieäu coäng höôûng  
Queùt taàn: giöõ nguyeân giaù trò B0 nhöng thay ñoåi taàn soá coäng  
höôûng ñeå thu ñöôïc coäng höôûng  
axeton  
TMS  
B0  
Tín hieäu theo phöông phaùp queùt tröôøng Feld-sweep  
TMS axeton  
Tín hieäu theo phöông phaùp queùt taàn Frequenz-sweep  
Trong thöïc teá thöôøng söû duïng queùt tröôøng coù nghóa laø taàn soá  
hoaït ñoäng cuûa maùy khoâng ñoåi  
1
1
axeton TMS  
B 1  
B 1  
0   
TMS   
0   
axeton  
2  
2  
1
  
  
B   
    
0   
0   
TMS  
TMS  
axeton  
axeton  
2  
  
  
TMS  
axeton  
0  
goïi laø ñoä dòch chuyeån hoaù hoïc cuûa axeton ñoái vôùi TMS  
• Neáu choïn TMS laøm chaát chuaån vaø so saùnh moät proton baát kì  
cuûa chaát naøo vôùi TMS ñeàu coù theå ñöôïc vaø giaù trò:  
  
  TMS mau  
0  
ñöôïc goïi laø ñoä chuyeån dòch hoaù hoïc cuûa chaát ño  
• Nhö vaäy ta thaáy moãi moät nhoùm nguyeân töû (nhoùm chöùc, phaân  
töû… ) do ñaëc tröng caáu truùc lôùp voû ñieän töû khaùc nhau neân coù  
haèng soá chaén khaùc nhau daãn ñeán ñoä chuyeån dòch hoaù hoïc  
khaùc nhau. Döïa vaøo ñoä chuyeån dòch hoaù hoïc ta coù theå xaùc  
ñònh ñöôïc söï coù maët cuûa nhöõng nhoùm chöùc khaùc nhau vaø xaùc  
ñònh ñöôïc caáu taïo phaân töû  
• Caùc proton chòu taùc duïng chaén cuûa ñieän töû gioáng nhau trong  
lieân keát goïi laø nhöõng proton töông ñöông vaø cho tín hieäu coäng  
höôûng gioáng nhau (tín hieäu truøng nhau). Trong phaân töû moät  
chaát coù bao nhieâu loaïi proton khoâng töông ñöông seõ cho baáy  
nhieâu tín hieäu phoå PMR.  
THANG ÑO ÑOÄ CHUYEÅN DÒCH HOAÙ HOÏC VAØ YÙ NGHÓA  
CUÛA NOÙ TRONG XAÙC ÑÒNH CAÁU TRUÙC PHAÂN TÖÛ  
Ngöôøi ta choïn TMS laøm chaát chuaån vì caùc lyù do sau:  
• TMS cho tín hieäu heïp vaø duy nhaát taïi tröôøng ngoaøi lôùn nhaát  
so vôùi ña soá chaát höõu cô  
B0max  
• cho tín hieäu maïnh (do haøm löôïng proton lôùn) neân coù theå troän  
vaøo chaát nghieân cöùu moät haøm löôïng nhoû cuõng cho tín hieäu  
PMR ñuû maïnh  
• trô hoaù hoïc khoâng phuï thuoäc dung moâi, vò trí tín hieäu cuûa  
TMS khoâng thay ñoåi  
Tín hieäu PMR cuûa TMS ñöôïc choïn laøm goác vaø ñaùnh soá 0 vaø ña  
soá tín hieäu PMR cuûa caùc chaát höõu cô naèm beân traùi cuûa TMS  
• ñoä chuyeån dòch hoaù hoïc khoâng thöù nguyeân (khoâng ñôn vò) vaø  
ñöôïc vieát taét laø ppm (par per million) :  
Hz  
   
  
K.106  
MHz a.106  
0
  
vaø ngöôøi ta ghi ñôn giaûn 10-6 laø ppm  
NHÖÕNG YEÁU TOÁ AÛNH HÖÔÛNG ÑEÁN ÑOÄ CHUYEÅN DÒCH  
HOAÙ HOÏC  
AÛNH HÖÔÛNG CUÛA NHIEÄT ÑOÄ  
Moät soá proton cuûa caùc nhoùm coù ñoä chuyeån dòch hoaù hoïc chòu  
aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä (do maát ñi hoaëc xuaát hieän caùc lieân keát  
môùi)  
VÍ DUÏ: caùc proton cuûa nhoùm OH, NH coù  
ñoåi nhieät ñoä, do xuaát hieän lieân keát hidro  
thay ñoåi khi thay  
H
H
H
O
O
O
R
R
R
AÛNH HÖÔÛNG CUÛA DUNG MOÂI  
Dung moâi aûnh höôûng ñeán    
do ñoù  
cuûa moät chaát chæ ñöôïc so  
saùnh trong dung moâi khaùc nhau. Moät soá dung moâi thöôøng duøng  
laø CCl4, CS2, CDCl3, CD3NO2, CH3OD v.v...  
TÖÔNG TAÙC SPIN – SPIN  
--  
• Ñoái vôùi nhöõng maùy coù ñoä phaân giaûi thaáp phoå coäng höôûng töø  
nhaân cuûa moãi nhoùm chöùc chæ coù moät ñænh. Nhöng ñoái vôùi  
nhöõng maùy coù ñoä phaân giaûi cao, nhöõng ñænh naøy bao goàm  
nhieàu ñænh nhoû, nguyeân nhaân cuûa hieän töôïng naøy laø do töông  
taùc spin-spin.  
TMS  
-CH3  
OH  
-CH2-  
Phaân giaûi thaáp  
-CH3  
TMS  
-CH2-  
OH  
Phaân giaûi cao  
Tín hieäu coäng höôûng töø cuûa röôïu etylic  
• TÖÔNG TAÙC SPIN-SPIN laø töông taùc giöõa nhöõng proton cuûa  
caùc nhoùm khaùc nhau gaây ra  
VÍ DUÏ: xeùt phaân töû CHCl2-CH2Cl  
Cl  
Cl  
Cl  
C
C
Hb  
Ha  
Hc  
TMS  
CHCl2  
CH2Cl  
Caùc proton Ha, Hb, Hc baûn thaân laø nhöõng nam chaâm nhoû. Xeùt  
töông taùc cuûa Ha leân Hb ,ø Hc, vaø töông taùc cuûa Hb, Hc len Ha.  
töông taùc cuûa Ha leân Hb ,ø Hc  
Ha coù 2 khaû naêng ñònh höôùng (I=  
1/2)  
HHa  
B0+HHa  
B0-HHa  
B0+HHa  
B0-HHa  
phoå cuûa  
Hb coù  
2 vaïch  
Ha  
taùc duïng leân Hb  
taùc duïng leân Hc  
-HHa  
HHa  
phoå cuûa  
Hc coù  
2 vaïch  
Ha  
-HHa  
nhöng do Hb vaø Hc laø nhöõng proton töông ñöông neân neân hai  
vaïch cuûa Hb vaø 2 vaïch cuûa Hc seõ trung leân nhau (vaïch ñuplet).  
Keát quaû ta thaáy nhoùm CH2Cl coù hai vaïch.  
töông taùc cuûa Hb vaø Hc leân Ha  
Hb  
Hc  
2Hb  
0
0
2Hb  
B0  
B0+2Hb  
1 vaïch  
B0 B0 B0-2Hb  
phoå cuûa Ha  
taùch laøm 3 vaïch  
1 vaïch  
1 vaïch  
(ñuplet)  
nhö vaäy ta thaáy phoå PMR cuûa nhoùm CHCl2 seõ goàm coù 3 vaïch  
• Soá vaïch toái ña cuûa söï töông taùc ñöôïc tính theo  
Soá vaïch=2N.I +1  
N – soá haït nhaân töông ñöông  
I – soá löôïng töû spin haït nhaân  
• Ñoái vôùi nhöõng haït nhaân töông taùc coù soá löôïng töû spin I=1/2  
thì soá vaïch töông taùc toái ña:  
Vaïch boäi=N +1  
N – soá nhöõng haït nhaân töø töông ñöông beân caïnh  
1
VÍ DUÏ: CH3-2CH2-3OH  
Nhoùm CH3 coù 2+1=3 vaïch boäi, nhoùm CH2 coù 3+1=4 vaïch boäi,  
nhoùm OH coù 2+1=3 vaïch boäi  
• Ñoái vôùi caùc haït nhaân töø khaùc nhau vaãn xaûy ra töông taùc spin-  
spin  
VÍ DUÏ: monoflometan CH3F  
H’  
F
C
H’’  
H’’  
H’, H’’, H’’’ laø haït nhaân töø töông ñöông coù ñoä chuyeån dòch hoaù  
hoïc baèng nhau. Khaû naêng toå hôïp cuûa caùc momen töø rieâng cuûa  
chuùng:  
B0  
H’  
H’’  
H’’’  
p
z
3/2  
1/2  
-1/2  
-3/2  
nhö vaäy bao quanh haït nhaân 19F seõ coù 4 töø tröôøng phuï taùc duïng  
vaøo laøm xuaát hieän 4 vaïch boäi cöôøng ñoä töông öùng laø 1:3:3:1  
Coøn 19F seõ taùc ñoäng vaøo H’, H’’, H’’’ hai töø tröôøng phuï khaùc keát  
quaû laø caùc nguyeân töû H seõ coù hai vaïch boäi  
J
J
J
• Khoaûng caùch giöõa nhöõng vaïch boäi ñöôïc goïi laø haèng soá töông  
taùc vaø haèng soá töông taùc J cuûa taát caû caùc vaïch ñeàu baèng  
nhau. Haèng soá töông taùc J raát quan troïng trong vieäc xaùc ñònh  
daïng lieân keát trong caùc nhoùm trong phaân töû.  
CAÁU TAÏO VAØ NGUYEÂN LYÙ HOAÏT ÑOÄNG CUÛA PHOÅ KEÁ  
COÄNG HÖÔÛNG TÖØ NHAÂN  
PHAÙT TAÀN SOÁ VOÂ  
TUYEÁN  
BOÄ TIEÀN  
KHUEÁCH  
ÑAÏI  
ÑETECTÔ  
KHUEÁCH  
ÑAÏI  
MAÙY  
TÍNH  
NAM  
CHAÂM  
NAM  
CHAÂM  
2
1
MAÙY  
PHAÙT  
NGUOÀN  
ÑIEÄN  
DAO ÑOÄNG KYÙ  
1- MAÃU  
2- CUOÄN TÖÏ CAÛM THU TÍN HIEÄU COÄNG HÖÔÛNG  
NGUYEÂN LYÙ HOAÏT ÑOÄNG:  
• Boä phaän chính laø nam chaâm coù cöôøng ñoä töø tröôøng oån ñònh  
• Taàn soá maùy laø 25, 60, 100MHz töông öùng vôùi cöôøng ñoä töø  
tröôøng laø 0,6; 1,4 vaø 2,4 T  
• Moät cuoän daây noái vôùi oáng phaùt taàn soá vo tuyeán taïo töø tröôøng  
B1 vuoâng goùc vôùi töø tröôøng B0  
• Moät cuoän daây ñieän khaùc bao quanh maãu ñeå thu tín hieäu coäng  
höôûng, daãn ñeán ñetectô, boä khueách ñaïi, maùy dao ñoäng kyù vaø  
maùy tính ñeå ñoïc keát quaû ghi phoå.  
Tải về để xem bản đầy đủ
doc 22 trang myanh 22820 Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Phương pháp phổ cộng hưởng từ nhân tính chất từ của hạt nhân", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • doctai_lieu_phuong_phap_pho_cong_huong_tu_nhan_tinh_chat_tu_cua.doc