Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi Nedir? (nmr)

GİRİŞ




NMR yönteminin temeli çekirdeğin manyetik özelliğine dayanır. Bu yöntemde ışın enerjisi elektronlar tarafından değil çekirdek tarafından absorplanmaktadır.


Atomda bulunan çekirdek kendi ekseni etrafında bir dönme hareketi yapar. Çekirdek pozitif yüklü olduğu için çekirdeğin sahip olduğu yükte bu dairesel yörüngede hareket eder. Bu yörüngesel hareket elektrik akımı oluşturur. Her elektrik akımı çevresinde manyetik bir alan oluşturur. Çekirdek kendi ekseni etrafnda döndüğü için açısal momentuma da sahiptir.




Elektronlarda olduğu gibi çekirdeklerde de spin kuantum sayıları vardır. Çekirdeğin spin kuantum sayısı I, çekirdekte bulunan proton ve nötronların sayısına göre değişmektedir. Spin kuantum sayısı bir elementin izotopları için farklı değerler alır. Çekirdekte bulunan nötron ve proton sayısına göre spin kuantum sayıları belirlenemez. Fakat aşağıdaki kurallarla açıklanabilir.




1) Çift-çift çekirdek: Kütle ve atom numaraları çift olan elementler. 12C, 16O örnek verilebilir. C’un çekirdeğinde 6 proton , 6 nötron bulunur . Bu gruba dahil olan tüm izotopların spin kuantum sayıları I= O dır.




2) a) Tek –tek çekirdekler: Kütle ve atom numaraları tek olan elementler. Bu gruptaki elementlerin proton sayıları tek, nötron sayıları çifttir. 1H, 11B, 19F,31P izotopları örnek verilebilir. H’in 1 protonunu sıfır nötronu vardır. Florun 9 protonu (tek) ve 10 nötronu (çift)vardır.




b) Tek-çift çekirdekler: Kütle numaraları tek, atom numaraları çift olan elementler. Bu gruptaki elementlerin proton sayıları çift, nötron sayıları tektir. 13C, 17O ,33S izotopları örnek verilebilir. C ‘un 6 protonunu (çift), 7 nötronu (tek) vardır.




2a ve 2b deki elementlerin spin kuantum sayıları I= ½ ve bunun tek katlarıdır.


I= 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2 ......gibi




3) Çift-tek çekirdekler: Kütle numaraları çift, atom numaraları tek olan elementlerdir. Bu gruptaki izotopların nötron ve proton sayıları tektir. 2H(D), 10B, 14N, 18O örnek olarak verilebilir. H’in 1 (tek) protonu ve 1(tek) nötronu bulunmaktadır. Bu gruptaki elementlerin spin kuantum sayıları tam saylardan oluşmaktadır.


I= 1, 2, 3, 4, ..................... ......gibi




NMR için önemli bazı elementlerin spin kuantum sayıları


İzotop Spin kuantum sayısı % Doğada bulunma oranı


1H 1/2 99.98


2H(D) 1 0.016


10B 3 18.83


11B 3/2 81.17


13C 1/2 1.108


14N 1 99.635


15N 1/2 0,365


17O 5/2 0,037


19F 1/2 100.00


23Na 3/2 100.00


29Si 1/2 4.70


31P 1/2 100.00


33S 3/2 0.74






Bir elementin NMR spektroskopisinin gözlenebilmesi için I0 olması gerekmektedir. Bu nedenle 1. gruptaki izotoplar NMR da aktif değildir.




Bir çekirdeğin açısal momentumu , o çekirdeğin manyetik kuantum sayılarına göre değişir.


Manyetik kuantum ile spin kuantum arasında


m =(2I+1) bağıntısı vardır. Bu eşitliğe göre spin kuantum sayısı I= ½ olan olan bir çekirdeğin


m=(2 x 1/2 +1) = 2 manyetik kuantum sayısı vardır.


Bu manyetik kuantum sayıları bize çekirdeğin manyetik bir alana girdiği zaman yarıldıkları enerji seviyelerini verir.


Manyetik kuantum sayıları spin kuantum sayılarının (+) ve (-) değerleri arasında bulunan bütün değerleri alırlar. Ancak iki kuantum sayısı arasındaki fark m yalnız 1 olabilir. Yukarıdaki örnekte I=1/2 olan çekirdeğin manyetik kuantum sayısının 2 olduğunu bulmuştuk.


m = +I, ........., -I


Bu nedenle m= +1/2 m= -1/2 olabilir (m=1)


Spin kuantum sayısı 2 olan bir çekirdeğin I=2 ise manyetik kuantum sayısı m=(2 x 2+1) =5 dir.


m = +2, +1, 0, -1, -2


Bir atom çekirdeği manyetik bir alanda farklı enerji seviyelerine ayrılırlar. Protonun manyetik bir momentumu vardır ve bu momentum vektöreldir. Protonun manyetik momenti, manyetik alanın yönü ile paralel ve anti paralel olarak yönlenir. Böylece portonun iki farklı yönlenmesi olur. Eğer protonun manyetik yönlenmesi dış manyetik alan ile paralel ise, protonun potansiyel enerjisi daha düşüktür.


Bu olayı bir örnek ile açıklarsak eğer 2H(D) döteryumun I= 1 olduğundan m= (2I+1) den m= 3 tür. m = +1, m=0, m =-1.


Döteryum manyetik alan içerisine girdiğinde enerji seviyesi 3’e yarılacaktır.




NMR deneyleri alt enerji seviyesinde bulunan bir çekirdeğin, manyetik alan içerisinde, dışarıdan verilen bir enerji ile üst enerji seviyesine geçmesi ile gerçekleşir. Proton manyetik alan etkisi ile 2 farklı enerji seviyesine yarılır. Alt seviyede bulunan proton (manyetik momenti manyetik alan ile aynı yönde) enerji alarak üst seviyeye geçer . Yani manyetik moment manyetik alan il zıt yönde olur. Bu olaya spin çevrilmesi veya rezonas olayı denir. Rezonans olayı için dışarıdan verilecek enerji iki seviye arasındaki enerji kadar olmalıdır.-

*