SPEKTROSKOPIA

MAGNETYCZNEGO

REZONANSU

JĄDROWEGO –

NMR

Solarska Weronika
Stokłosa Małgorzata
Sujka Dagmara
Stefańska Sylwia
Weręgowska Karolina
Wokurka Kinga

CO TO JEST

SPEKTROSKOPIA NMR ?



Spektroskopia ta jest jedną z metod analizy
instrumentalnych polegająca na
wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących się w
zewnętrznym polu magnetycznym poprzez szybkie
zmiany pola magnetycznego, a następnie
rejestrację promieniowania elektromagnetycznego
powstającego na skutek zjawisk relaksacji.



Relaksacja jest to powrót układu spinów jądrowych
do stanu równowagi termodynamicznej. Dlatego
NMR jest jedną z metod spektroskopii emisyjnej.

OPIS ZJAWISKA



Atom pierwiastka jest dipolem
magnetycznym, gdyż posiada
dwubiegunowe pole magnetyczne
wywołane ruchem obdarzonej
ładunkiem kuli, wirującej z pewnym
momentem pędu ω. Dipol ten jest
umiejscowiony wzdłuż osi jądra.

OPIS ZJAWISKA CD.



Momentem pędu wirującego jest
tzw. Spin, który jest zdefiniowany
poprzez spinową liczbę kwantową.



Moment magnetyczny jądra (µ),
jest podstawowy parametrem w
NMR i definiuje dipol
magnetyczny powstały w wyniku
istnienia spinu (wirowania) jądra.

POŁOŻENIE SPINÓW

JĄDROWYCH

OPIS ZJAWISKA



Różnica energii pomiędzy poziomami
energetycznymi spinów jądrowych
(ΔE) jest funkcją natężenia
zewnętrznego pola magnetycznego .
Absorpcja energii promieniowania
elektromagnetycznego o
częstotliwości ν powoduje przejście
jadra z niższego poziomu
energetycznego na poziom wyższy.

DO CZEGO SŁUŻY NMR?



NMR jest techniką bazującą na zjawisku
rezonansu jądra atomu cząsteczki tzn.
pochłanianiu przez tą cząsteczkę
promieniowania elektromagnetycznego o
częstotliwości charakterystycznej dla danego
pierwiastka i danego otoczenia atomu.



Dlatego rejestrowana absorpcja zależna jest
od właściwości jąder atomowych wchodzących
w skład cząsteczki. Otrzymywane widma
NMR przedstawiają intensywność sygnałów w
funkcji natężenia pola magnetycznego.

CO BADAMY ?



W rezonansie jądrowym
badamy stan spinów. Spin
może mieć dwie energie i
zmierzona zostaje ich
różnica ΔE, objawiająca się
jako częstotliwość w widmie
absorpcyjnym.

CO BADAMY?



Określanie struktury chemicznej: analiza
związków naturalnych i syntetycznych



Badanie procesów dynamicznych: kinetyka
reakcji, badania równowag chemicznych



Badania strukturalne 3D: Proteiny, kompleksy
proteina-ligand, DNA, RNA, układy
proteiny/DNA, polisacharydy

POMIARY NMR „CIAŁA

STAŁEGO” - ZASTOSOWANIE



kompleksy organiczne i nieorganiczne,



minerały,



szkło,



żywność,



półprzewodniki,



materiały archeologiczne,



próbki biologiczne i medyczne,



cementy,



drewno,



kości,



metale i stopy,



polimery, tworzywa sztuczne,



badanie uszkodzeń i pęknięć

JAKIE INFORMACJE

DOSTARCZA NMR?



Umożliwia obserwowanie widm wszystkich

pierwiastków zawierających jądra magnetyczne (1H,
13C, 15N, 19F, 31P, itd.)



Pozwala określić ich otoczenie chemiczne, proporcje

ilości jąder w poszczególnych grupach, rodzaju
atomów sąsiadujących i kąty pomiędzy wiązaniami



Umożliwia także badanie procesów dynamicznych,

oddziaływań międzycząsteczkowych, kinetyki i
mechanizmów reakcji, a także pozwala wykonywać
pomiary ilościowe

CO TO JEST WIDMO?

WIDMO NMR – wykres ilości kwantów
energii

promieniowania

elektromagnetycznego

pochłanianego

przez próbkę w funkcji częstotliwości
tego promieniowania.

Skala przesunięcia chemicznego
δ [ppm]

Sygnały rezonansowe

Integracja

Integracja

Multipletowość
Stała (stałe) sprzężenia

ELEMENTY WIDMA

CECHY SYGNAŁU REZONANSOWEGO

 INTEGRACJA

Powierzchnia pod sygnałem rezonansowym;
ilość kwantów energii promieniowania
elektromagnetycznego

o

danej

częstotliwości

(bądź

częstotliwościach)

pochłoniętych przez jądra atomowe.

Informuje o ilości jąder atomowych w próbce
wzbudzonych przez kwanty promieniowania o
danej częstotliwości, a co za tym idzie: o ilości
jąder, których sygnał rezonansowy został
zarejestrowany w widmie.

CECHY SYGNAŁU REZONANSOWEGO

 PRZESUNIĘCIE CHEMICZNE

Pozycja środka sygnału rezonansowego na
skali przesunięć chemicznych, wyrażona w
[ppm].

Z zupełnie teoretycznego punktu widzenia, δ:
informuje o częstotliwości rezonansowej
jądra

(jąder)

generującego

sygnał

rezonansowy.

Z nieco bardziej praktycznego, ale nadal
teoretycznego punktu widzenia, δ: informuje o
otoczeniu

chemicznym

jądra

(jąder)

generującego sygnał rezonansowy.



PRZESUNIĘCIE CHEMICZNE (C–H)

Dla

1

H NMR i protonów związanych z

atomem węgla, δ:
informuje o typie atomu węgla, z
którym

związany

jest

proton(y)

generujący sygnał rezonansowy oraz
stwarza przesłanki dotyczące otoczenia
chemicznego tego atomu węgla.

δ [ppm]

typ atomu węgla wiążącego

proton

0 – 5,5

sp

3

(

alkanowy

) lub sp

1

(

terminalny alkin

)

5 – 7

sp

2

(

alkenowy

)

6 – 9

sp

2

(

aromatyczny

)

8 – 10

sp

2

(

aldehydowy

)

PIERWSZE ZAREJESTROWANE

PRZESUNIĘCIE CHEMICZNE

1H NMR widmo etanolu

Arnold, J.T., S.S. Dharmatti, and M.E. Packard, J.
Chem. Phys., 1951. 19: p. 507

Pierwsze

zarejestrowane i

opublikowane widmo

NMR

1H NMR widmo wody

Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear
induction experiment. Physical Review (1946), 70 474-
85.

PRZYGOTOWANIE

PRÓBKI:



Próbka powinna zawierać
rozpuszczalnik deuterowany.



Próbka powinna być homogeniczna i
nie zawierać osadu.



Próbka powinna być czysta z
zewnątrz.

PRZYGOTOWANIE PRÓBKI
– C.D



Do przygotowania próbek należy używać nieuszkodzonych rurek 5

mm o jakości odpowiadającej wymaganiom stosowanego
spektrometru



Rurka musi mieć szczelnie założoną zatyczkę i nie może być
zabrudzona od zewnątrz. Długość rurki z założoną zatyczką nie może
być mniejsza niż 170 mm. Rurki niespełniające tego wymogu nie będą
przyjmowane do pomiarów.



Ze względów technicznych wysokość słupa cieczy w rurce powinna
wynosić 40 mm, co odpowiada objętości roztworu równej ok. 0.6 ml.
Mniejsza lub większa wysokość słupa cieczy może spowodować
pogorszenie rozdzielczości rejestrowanego widma, zwłaszcza w
przypadku pomiarów automatycznych na spektrometrze NMR500.



Próbki do pomiarów zautomatyzowanych muszą być opisane zgodnie
ze szczegółowymi zaleceniami

POZYCJA PRÓBKI NMR

ROZPUSZCZALNIKI

STOSOWANE W NMR



Aceton-d

6



Acetonitryl-d

3



Benzen-d

6



Chlorek metylenu-d

2



Chloroform-d



Dimetyloformamid-d

6

(DMF)



Dimetylkosulfotlenek-d

6

(DMSO)



Metanol-d

4



Woda (D

2

O)

SPEKTROMETR NMR



Długość
nadprzewodzącego drutu
w magnesie wynosi ok.
kilku kilometrów



Drut jest skręcony w
solenoid. Zwoje są
zanurzone w ciekłym helu
i utrzymane w temp. 4,2
K. Zwoje i ciekły hel są
umieszczone w wielkim
dewarze. Ten dewar jest
zazwyczaj otoczony
dewarem z ciekłym
azotem o temp 77,4

K

RÓŻNE METODY NMR

ZNALAZŁY ZASTOSOWANIE W:

1) Spektroskopia NMR jest
doskonałym narzędziem do
badania mikrostruktury
łańcucha polimerowego, gdyż
pozwala obserwować atomy
węgla oraz ich sąsiadów od
"wewnątrz"
makrocząsteczki. Dokładne
zdefiniowanie mikrostruktury
pozwala na "sterowanie"
budową łańcucha, a co za tym
idzie otrzymywanie polimeru o
żądanych właściwościach
fizykochemicznych i
mechanicznych.

Aparat MRI
2) W medycynie zjawisko rezonansu magnetycznego
stosuje się w ramach jednej z technik tomograficznych
MRI (ang. Magnetic Resonance Imaging), zaś rzadziej
MRT (ang. Magnetic Resonance Tomography)

Poza medycyną spektroskopia rezonansu magnetycznego

może być wykorzystywana na przykład przez służby celne

do wykrywania kokainy rozpuszczonej w alkoholu bez

otwierania butelek.

 

3) Zastosowania w produkcji żywności obejmują pomiary

ilości wody i oleju w produktach spożywczych takich jak

czekolada, produkty z kakao, w pieczywie i innych

produktach zbożowych; pomiary zawartości tłuszczu

stałego („solid fat content” – SFC) w margarynach i innych

tłuszczach; analizę zawartości substancji oleistych i wody

w nasionach, w mleku w proszku itp.

4) W przemyśle chemicznym stosuje się metody TD-NMR

do badań zawartości wody i oleju w proszkach, tabletkach

czy zawartości wody w cemencie;

5) Przemysł paliwowy wykorzystuje pomiary TD-

NMR do określania zawartości oleju w wosku

i parafinie, zawartości wody w asfalcie, czy

określania zawartości wodoru w węglowodorach

6) W przemyśle polimerowym są to np. badania

stopnia polimeryzacji i zawartości dodatków

w polimerach i włóknach; w przemyśle

tekstylnym badanie substancji kontrolujących

stan włókien, na które składają się substancje

oleiste, substancje powierzchniowo czynne

i substancje antystatyczne.

ZALETY I WADY NMR



Nieinwazyjność – metoda pozwala na
wykonywanie pomiarów bez uszkodzeń
nawet bardzo delikatnej próbki biologicznej.



Krótki czas zapisu widma.



Technika dostarczająca wyjątkowo dużo
informacji o strukturze analitu.



Łatwość przygotowanie próbki.



Mimo pozornej prostoty widm ich
interpretacja wymaga dużej wiedzy i
doświadczenia.

Widmo 1D 1H NMR roztworu
sacharozy w D

2

O z dodatkiem

metanolu

Widmo

1

H NMR moczu -

kwasica

argininobursztynowa.



Niewielka ilość badanego związku ( kilka mg)



Wysokie koszty, zarówno inwestycyjne jak i eksploatacyjne.



Pozwalają badać strukturę i dynamikę badanego układu
fizycznego od poziomu molekularnego do skali
makroskopowej.



Czułość NMR odpowiednio kosztuje

DZIĘKUJE

MY ZA

UWAGĘ