SPEKTROSKOPIA NMR - chem.pg.edu.pl · SPEKTROSKOPIA NMR PODEJŚCIEPRAKTYCZNE DR INŻ. TOMASZ...
Transcript of SPEKTROSKOPIA NMR - chem.pg.edu.pl · SPEKTROSKOPIA NMR PODEJŚCIEPRAKTYCZNE DR INŻ. TOMASZ...
SPEKTROSKOPIA NMR
PODEJŚCIE PRAKTYCZNE
DR INŻ. TOMASZ LASKOWSKI
Animacje na slajdach 13-30 przygotował mgr inż. Marcin PłosińskiCZĘŚĆ: I
MOTTO WYKŁADU
„Nie trzeba kończyć studiów na kierunku elektronika, abyskorzystać z telefonu.”
dr hab. inż. Jan Pawlak (1943-2013)
ŁYK TEORII
Skrót NMR (ang. Nuclear Magnetic Resonance) oznacza magnetyczny
rezonans jądrowy.
• Jądra atomowe posiadają cechę, która sprawia, że elektrony niechętnie
się od nich oddalają. Co to za cecha?
• Pole magnetyczne – przez co jest wytwarzane?
• Co to jest rezonans?
ŁYK TEORII
Jądra atomowe wirują wokół własnej osi. W zależności od rozmieszczenia
ładunku w jądrze atomowym, wirujący ładunek może generować
dwubiegunowe pole magnetyczne (dipol magnetyczny).
1H, 13C, 15N, 19F, 31P; etc.:
A – nieparzysta;
Z – dowolna;
12C, 16O, 34S; etc.:
A – parzysta;
Z – parzysta;
I = ½
I = 0
ŁYK TEORII
Wektor wypadkowej magnetyzacji substancji (zawierającej jądra o niezerowym
spinie), którą zamierzamy zbadać, w dobrym przybliżeniu ma długość równą zero.
B0
Po umieszczeniu substancji w silnym, zewnętrznym, jednorodnym polu magnetycznym,
momenty magnetyczne jąder porządkują się wg reguł mechaniki kwantowej.
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KWANTOWE
N = 2I + 1
B0
E ΔEW,N
dla I = ½, N = 2
ilość dozwolonych orientacji (stanów energetycznych) jądra atomowego w zewnętrznym polu magnetycznym
M
< 1
kT
EΔexp
N
N N,W
N
W
Częstotliwość rezonansowa jądra, zwana też częstotliwością Larmora (νL),
dana jest wzorem:
Dla protonów, jeżeli B0 = 2,35 T, vL = 100 MHz; te proporcje są zachowane.
0L B
v [Hz] v [Hz]
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KWANTOWE
B0
Nadajnik
hν1
hνL1
hνL2
H C C C H
Cl O D
D D
1B0L
6
wz
L
wz
LL 10
v [Hz] 0δ [ppm]
[ppm]
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KWANTOWE
Przesunięcie chemiczne sygnału rezonansowego danego jądra w danym związku jest takie
samo w widmach wykonywanych przy pomocy spektrometrów o różnej mocy, ponieważ
vL – vLwz (licznik) rośnie proporcjonalnie do mocy spektrometru.
Szerokość sygnału rezonansowego w widmie dla danego jądra w danym związku z reguły
jest stała i wyrażona w [Hz].
]ppm[110MHz200
Hz200 6 ]ppm[110MHz500
Hz500 6
[ppm] 1 0
500MHz
[ppm] 1 0
200MHz
200Hz 500Hz
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KWANTOWE
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
z
y
położenie
równoległe
położenie
antyrównoległe
B0
N = 2I + 1
dla I = ½, N = 2
ilość dozwolonych orientacji (stanów energetycznych) jądra atomowego w zewnętrznym polu magnetycznym
< 1
kT
EΔexp
N
N N,W
N
W
z
składowa elektryczna E
składowa magnetyczna B1
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
NATURA FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
10 11 12 13 14 15 16 179
1 2 3 4 5 6 7 8 9
kierunek rozchodzenia
się fali1234 5 6
7
8
9
10
111213 14
15
16
17
drgania wektora indukcji magnetycznej B1
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
kierunek rozchodzenia
się fali1234 5 6
7
8
9
10
111213 14
15
16
17
drgania wektora indukcji magnetycznej B1
B0 y
z
x
y
z
x
z
y
x
z
y
x
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
y
x
z
yB0
x
fazowanie
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
yB0
x
z
y
x
fazowanie
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
y
x
absorpcja
B0
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
yB0
x
y
z
x
y
z
x
z
y
x
statyczny układ współrzędnych wirujący układ współrzędnych
M0
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
z
y
x
M0
B0
Mz
z
y
x
Mz
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
Absorpcja powoduje skrócenie wektora
magnetyzacji podłużnej
z
y
x
B0
Mz
z
y
x
Mz
Fazowanie powoduje powstanie wektora
magnetyzacji poprzecznej
My
Absorpcja powoduje skrócenie wektora
magnetyzacji podłużnej
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
z
y
x
B0
M0
Mz
My
z
y
x
Mz
My My
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
y
x
B0
M0
z
y
M0Mz
My
x
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
y
x
M0
z
y
M0Mz
My
B0
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
z
y
x
M0
z
y
M0
My
B0
puls π/2
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
ŁYK TEORII – PODEJŚCIE KLASYCZNE
ODDZIAŁYWANIE JĄDER ZE SKŁADOWYMI FALI MAGNETYCZNEJ
Puls π/2 jest standardowym pulsem przy rejestracji widm jednowymiarowych.
Dużą popularnością cieszą się jeszcze pulsy π oraz 3π/2, które są stosowane przy
wielowymiarowych eksperymentach fazowych.
Oprócz absorpcji i fazowania, jeszcze jedno zjawisko ma kluczowy wpływ na wynik
eksperymentu NMR – relaksacja. Wyróżniamy relaksację podłużną (T1) oraz
relaksację poprzeczną (T2). Tymi zagadnieniami zajmiemy się jednak później.