Tuumamagnetresonantsspektroskoopia: erinevus redaktsioonide vahel
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
Resümee puudub |
|||
10. rida:
Eestis kasutatakse tuumamagnetresonantsspektromeetriat näiteks [[TÜ]]-s, [[KBFI]]-s ja [[TTÜ keemiainstituut|TTÜ keemiainstituudis]].
Peamised TMR spektromeetrite tootjad on Bruker BioSpin Gmbh, Varian Inc. ja Jeol Inc.
==Ajalugu==
Tuumamagnetresonantsi kui nähtust kirjeldas esmakordselt [[1938]]. aastal Isidor Isaac Rabi ning [[1944]]. aastal sai Rabi selle avastuse eest füüsika [[Nobeli preemia]]. [[1952]]. aastal pälvisid Felix Bloch ja Edward Mills Purcell füüsika Nobeli preemia, töötades välja tehnika, mis võimaldab mõõta lahuseid ja tahkiseid. Edasi algas TMRi hüppeline areng, mille käigus [[1950. aastad|50-ndatel]] aastatel hakati TMRi kasutama laialdaselt erinevate orgaaniliste ühendite analüüsiks. [[1970. aastad|70-ndatel]] arendati välja 2D TMR spektroskoopia ning tänapäeval on TMR leidnud kasutus väga paljudes valdkondades, eelkõige keemias. [[1991]]. aastal sai Richard R. Ernst Nobeli preemia [[Fourier' teisendus]]te ja mitme-dimensionaalse TMRi arendamise eest. <ref name="Ajalugu">[http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/9450/history-gif2.gif].http://chemwiki.ucdavis.edu. Kasutatud 05.10.2014</ref>
==Olemus==
Tuumamagnetresonantsspektroskoopia on [[aatomspektroskoopia]] liik, mis võimaldab mõõta aatomeid, mille [[spinn]] pole 0. Spinn iseloomustab tuuma asendit magnetväljas. Tuumade võimalike spinnide arvu iseloomustab [[spinni kvantarv|spinnkvantarv]] (I). Vastavalt spinnkvantarvule jagunevad aatomite tuumad: I=(0; 0,5; 1; 1,5; jne). <ref name="Friebolin">H. Friebolin, ''Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, 4th edition'', Wiley- VCH, Germany, 2004.</ref>
===Enim mõõdetavad tuumad===
TMRis on hästi mõõdetavad need tuumad, mille spinnkvantarv on 0,5, näiteks <sup>1</sup>H, <sup>13</sup>C, <sup>31</sup>P, <sup>15</sup>N, <sup>19</sup>F. Kaks esimest on eriti laialt kasutatavad, kuna TMRiga on väga lihtne tuvastada orgaanilisi ühendeid. Mõndedel looduses leiduvatel tuumadel on aga spinnkvantarv 0, näiteks <sup>12</sup>C ja <sup>16</sup>O ning seetõttu on need TMRi jaoks inaktiivsed.
Tuumade mõõdetavus oleneb ka nende leidumisest looduses. Näiteks <sup>1</sup>H tuumi leidub proovides 99,99%. Seetõttu pole vaja proovi antud tuumaga rikastada ning prootonspektri mõõtmine toimub kiiresti (kuni 10sekundit). <sup>13</sup>C tuumasid on looduses aga ainult 1,07% ja süsinikspektri mõõtmiseks peab mõõtmisaega pikendama tehes kordusmõõtmisi. <ref name="Friebolin" />
===Energianivoode erinevus===
Tavaolekus on tuumad ühel energianivool. Viies proovi magnetvälja ja rakendades raadiosagedusliku [[impulss|impulsiga]] kiirgust, ergastatakse tuumad. Selle tulemusena on mõned tuumad mõjuva magnetväljaga samas suunas ja mõned tuumad vastassuunas.[[File:Energianivoode erinevus.jpg|thumb|Kui väline magnetväli on suunatud üles, siis tuumad, mille spinn on +1/2 asuvad madalamal energianivool ja spinniga -1/2 tuumad asuvad kõrgemal energianivool.]] <ref name="Hore" />Osakeste jaotust kõrgema ja madalama energianivoo vahel väljendab valem:
N<sub>k</sub>/N<sub>m</sub>= e<sup>–cγβ<sub>0</sub></sup>=1-cγβ<sub>0</sub>,
kus N<sub>k</sub> on osakeste arv kõrgemal energianoovil, N<sub>m</sub> osakeste arv madalamal energianivool, c võrdetegur, β<sub>0</sub> välise magnetvälja tugevus ja γ güromagneetiline suhe <ref name="Osakeste energiajaotuse valem">[http://tera.chem.ut.ee/~ivo/ak2/NMR.pdf].http://tera.chem.ut.ee/~ivo/ak2/. Kasutatud 05.10.2014</ref>. Võrdetegur c on avaldatav kui h/k<sub>B</sub>*T, kus h on Planci konstant, k<sub>B</sub> Boltzmanni konstant ning T temperatuur <ref name="Hore" />.
===Relakseerumine===
Kui [[kiiritus|kiirituse]] mõju on lõppenud, hakkavad tuumad relakseeruma ehk pöörduvad tagasi oma algasendisse. Relakseerumise käigus tuumad tiirlevad ümber oma telje ehk pretsesseeruvad. Relakseerumise tulemusena tuumade poolt tekitatav magneväli muutub ning seda muutust mõõdetaksegi. Relakseerumise käigus saadakse [[aeg-signaal spekter]], mis näeb välja nagu [[siinus]]- või [[koosinus]]funktsiooni graafik, juhul kui kõik tuumad pretsesseeruvad samasuguse sagedusega. Tavaliselt toimub pretsesseerumine aga erineva sagedusega ning seetõttu on mõõdetud spektri põhjal keeruline uuritava aine struktuuri analüüsida. Rakendades aeg-signaal spektrile Fourie teisendust, saadakse [[sagedus-signaal spekter]]. <ref name="Friebolin" />
==Keemiline nihe==
Keemiline nihe väljendab tuuma resonantssageduse suhet standardtuuma sagedusse. Olenevalt magnetvälja tugevustest on spektromeetritel raadiosagedused erinevad, seetõttu on kahe erineva sagedusega masinaga mõõdetud spektreid keeruline võrrelda. Selleks võeti kasutusele keemiline nihe, mis on avaldatav
ϭ= 10<sup>6</sup>*(ν-ν<sub>s</sub>)/ ν<sub>s</sub>,
kus ν on signaali sagedus ja ν<sub>s</sub> [[standardtuuma]] signaali sagedus. Kusjuures, kui sageduse ühikuks on [[Hz]], siis keemilise nihke ühikuks on [[ppm]] ehk miljondik osa. <ref name="Hore">P.J. Hore, ''Nuclear Magnetic Resonance'', Oxford University Press, New York, 1995.</ref>
===Millest keemiline nihe sõltub?===
Keemiline nihe sõltub aatomituuma ümbrusest. Tuuma ümbritsevad [[elektronid]] ning nende liikumine tekitab lisamagnetvälja, mis on aatomituuma jaoks välist magnetvälja nõrgestava toimega (vastupidises suunas välise magnetväljaga). Välise magnevälja muutust, mis on põhjustatud tuuma ümbritsevate elektronide poolt, nimetatakse [[varjestus|varjestuseks]].
Keemilist nihet mõjutab ka naaberaatomi elektronegatiivsus. Mida suurem on naaberaatomi elektronegatiivsuss, seda tugevamini tõmbab see elektrone enda poole ning mõõdetava tuuma varjestus väheneb ja seetõttu tuuma keemiline nihe suureneb.
Ka [[kordne side|kordsed sidemed]] mõjutavad keemilist nihet, kuna kordseid sidemeid moodustavad [[π elektronid]], mis on võimelised tekitama uue magnetvälja.
Üldiselt kehtib rusikareegel: mida suurem varjestus, seda väiksem keemiline nihe uuritaval tuumal. <ref name="Friebolin" />
===Korrelatsioontabelid===
Keemilise nihke alusel on enammõõdetavad rühmad korrelatsioontabelitesse jaotatud, kusjuures tasub jälgida, et keemilise nihke skaala kasvab paremalt vasakule. Samuti on tuumade keemiliste nihete vahemikud vägagi erinevad. Näiteks <sup>1</sup>H keemilised nihked jäävad 0…20 ppm-i vahemikku, <sup>13</sup>C omad 0…220 ppm, erandjuhtudel 400ppm, kuid <sup>15</sup>N keemiliste niheke vahemik võib jääda -500…1200 ppm-i või 0...1700 ppm-i, olenevalt referentsainest, mida mõõtmistel kasutatakse. Seega tuleks enne tulemuste võrdlemist veenduda, millise standardaine suhtes andmed on saadud. <sup>1</sup>H ja <sup>13</sup>C TMRi juures on standardaineks tetrametüülsilaan(TMS). <ref name="Friebolin" />
==Spinn-spinn vastasmõju==
[[File:PascalTriangleAnimated2.gif|thumb|'''Pascali kolmnurk'''. Kui naabervesinikud ei lõhesta tuuma, tekib piik, mis ei ole lõhenenud (rida 1). Kui lõhestavaid tuumasid on 1, lõheneb signaal kaheks võrdse intensiivsustega piigiks (rida 2). Kui lõhestavaid tuumi on 2, lõheneb signaal kolmeks piigiks intensiivsuste suhtega 1:2:1 (rida 3), jne.]][[File:Esimest järku multipletid..jpg|thumb|Multiplettide nimetused vastavalt lõhestavate tuumade arvule n.]]
TMRi spektrites ei ole alati sirged piigid, seda eriti <sup>1</sup>H spektri korral. Piiki lõhestavad naaberaatomite tuumad, kuna nende spinn võib olla mõõdetava aatomituuma seisukohalt nii sama- kui ka vastassuunaline. Lõhestav efekt ilmneb tavaliselt kolme sideme kaugusel asetsevatel tuumadel. Sõltuvalt sellest, kui palju on mõõdetaval aatomil naabervesinikke, nii mitmeks lõheneb ka tema piik spektris. Seejuures kehtib multipletsuse reegel:
kui spinn lõhestab '''n''' omavahel ekvivalentset spinni '''X''', lõheneb '''A''' signaal '''2nI<sub>x</sub>+1''' jooneks,
kus I<sub>x</sub> on tuuma X spinn.
Kui meil on tegemist tuumadega, mille spinn on 0,5, muutub võrrand lühemaks ning spektrisse tekib n+1 joont. <ref name="Friebolin"></ref>
Joonte intensiivsused on sel juhul leitavad [[Pascali kolmnurk|Pascali kolmnurka]] kasutades. Kui naabervesinikud ei lõhesta tuuma, on n väärtus 0 ja spektrisse tekib 1 joon (singlett). Kui lõhestavaid tuumasid on 1 (n on 1), lõheneb signaal kaheks võrdse intensiivsustega piigiks. Kui lõhestavaid tuumasid on 2 (n on 2), lõheneb signaal kolmeks piigiks intensiivsuste suhtega 1:2:1. Pascali kolmnurga kooostamiseks tuleb kasutada liitmisvõtet. <ref name="Friebolin"></ref>
Kui lõhestavad tuumad on keemiliselt ekvivalentsed, tekivad esimest järku [[multiplett|multipletid]]. Nende korral on võimalik multipletile anda nimetus, vaadates piigi kuju ja intensiivsust. Kõrgemat järku multiplett tekib siis, kui lõhestavad tuumad ei ole keemiliselt ekvivalentsed. Sel juhul peab lõhenemise mõistmiseks välja joonistama lõhenemi skahvli. Lõhenemiskahvel on skeem, mille põhjal saab määrata spinn-spinn lõhenemiskonstandid ning anda multiplettidele nimetused. <ref name="Friebolin"></ref>
==2D tuumamagnetresosnantsseptroskoopia==
Kui ühedimensionaalne spekter on vaadeldav x-y [[tasapind|tasapinnas]], kus üks mõõde on sagedus ning teine intensiivsus, siis kahedimensionaalse spektri korral on sagedus kahes mõõtmes (x, y) ning kolmas mõõde on intensiivsus (z). Kahemõõtmeline spekter võimaldab saada parema signaalide lahutuvuse, kuna mõõdetakse korraga mitut vastasmõju ja seeläbi saab teada, millised tuumad üksteist mõjutavad. <ref name="Hore"></ref>
2D spektri tekitamiseks mõõdetakse mitu 1D spektrit, kus muudetakse mingit kindlat parameetrit iga mõõtmise ajal ning tulemused esitatakse tavaliselt [[topograafiline kaart|topograafilise kaardina]]. Nendelt kaartidelt on võimalik välja lugeda, millised tuumad üksteist mõjutavad, kuna on teada mitmeid korrelatsioonspektreid. <ref name="Hore"></ref>
[[COSY]] (korrelatsioonspektroskoopia, inglise keeles ''correlation spectroscopy'') on kõige populaarsem 2D [[homonukleaarne]] korrelatsioonspektroskoopia. COSY spektri puhul on mõlemal teljel sama isotoobi spektrid. Kõige levinumad on <sup>1</sup>H- COSY spektrid. Spektri ristpiikide alusel saab tuvastada, millised tuumad üksteist lõhestavad ja millised vesinikud asuvad üksteise naabruses.
[[HETCOR]] (heteronukelaarne korrelatsioonspektroskoopia, inglise keeles ''heteronuclear correlation'') spektrist on võimalik aga välja lugeda, millised süsnikud ja vesinikud on omavahel seotud. <ref name="Friebolin"></ref>
==Spektri mõõtmine ja interpreteerimine==
[[File:Mentooli prootonspekter.jpg|thumb|Mentooli prootonspekri interpreteering]]Kõigepealt tuleb uuritav aine lahustada sobivas [[solvent|solvendis]], kusjuures peab silmas pidama, et [[lahusti]] ei segaks [[analüüt|analüüdi]] piike. Näiteks ei tohiks lahusti sisaldada <sup>1</sup>H tuumasid, kui soovitakse mõõta prootonspektrit. Sel juhul tuleb kasutada lahusteid, kus prooton on asendatud [[deuteerium]]iga, näiteks deutereeritud [[triklorometaan]] (CDCl<sub>3</sub>). Saadava signaali intensiivsus sõltub otseselt ka proovi [[kontsentratsioon]]ist, seega loetava spektri saamiseks ei tohiks kontsentratsioon väga madal olla. <ref name="Hore"></ref>
Proov viiakse spetsiaalse tuubiga [[spektromeeter|spektromeetrisse]], kuhu on eelnevalt paigaldatud juba mõõtepea. Olenevalt sellest, kui keerulist ühendit uuritakse, tuleb mõelda ka spektromeetri magneti tugevusele, kuna sellest oleneb spektri detailsus. <ref name="Hore"></ref>
Proov pannakse pöörlema, teostatakse ''[[shimmimine]]''. Shimmimine on magnetvälja homogeensemaks muutmine ja vajalik selleks, et tuumadele mõjuv magnetväli oleks võimalikult ühtlane. <ref name="Hore"></ref>
Mõõdetakse magnevälja tugevuse muutust ajas. Saadud sõltuvusele rakendatakse Fourie teisendust, mille tulemusena saadakse sagedus-signaal spekter. Vajadusel töödeldakse saadud signaali erinevate [[akenfunktsioon]]idega. Vastavalt funktsiooni valikule on võimalik saada peenemaid piike ja tõsta spektri kvaliteeti. <ref name="Hore"></ref>
Järgnevalt tuleb määrata piikide asukohad, [[integreerimine|integreerida]] signaali intensiivsused ning interpreteerida spekter, kasutades korrelatsioontabeleid. <ref name="Hore"></ref>
==Viited==
<references />
==Välislingid==
| |||