آشنایی کامل با طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای

طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای به منظور بررسی پدیده‌ای به نام تشدید مغناطیسی هسته‌ای (Nuclear magnetic Resonance) به کار می‌رود.

طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای (NMR)

روش طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای به منظور بررسی پدیده‌ای به نام تشدید مغناطیس هسته‌ای (Nuclear magnetic Resonance) به کار می‌رود. این پدیده که بر اساس فیزیک کوانتوم صورت می‌گیرد، امروزه اهمیت فراوانی در علومی مانند پزشکی دارد. بر اساس این پدیده، ابتدا انرژی هسته‌های معینی در یک میدان مغناطیسی قوی، به دو یا تعداد بیشتری تراز کوانتیده، شکافته می‌شوند.

در حقیقت، هسته‌هایی که در آنها حداقل یک پروتون یا نوترون جفت نشده وجود دارد، مانند آهنرباهای کوچک عمل می‌کنند. در حضور میدان مغناطیسی قوی، نیرویی اعمال می‌شود که باعث می‌شود فرکانس طبیعی این آهنرباها با فرکانس یک موج رادیویی خارجی ضعیف مطابقت داشته باشد. بنابراین انرژی از امواج رادیویی جذب شده و پدیده تشدید رخ می‌دهد. به عبارت دیگر، طی این پدیده، هسته‌های هم جهت در میدان قوی اعمال شده، با جذب انرژی، جهت اسپین خود را نسبت به میدان اعمالی تغییر می‌دهند. این فرایند همان رزونانس یا تشدید نام دارد.

طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای چیست؟

در تکنیک طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای فقط هسته‌هایی قابل شناسایی هستند که عدد اتمی فرد، عدد جرمی فرد و یا هردو فرد را دارا باشند. هیدروژن، کربن13و فسفر31 مثال‌های خوبی برای این منظور هستند. در این فرایند، ابتدا عناصر مذکور را در معرض امواج رادیویی قرار داده و یک گیرنده رادیویی، امواج را دریافت می‌کند. امواج دریافت شده به کمک الگوریتم تبدیل فوریه رمزگشایی گردیده و قابل درک توسط محققان می‌شوند.

طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای نخستین بار توسط فردی به نام ایسیدور رابی با گسترش آزمایش استرن-گرلاخ در پرتوهای مولکولی اندازه‌گیری گردید. او با انجام این مطالعه ارزشمند، موفق به دریافت جایزه نوبل شد. این تکنیک، به کمک دستگاه طیف سنج NMR (طیف سنج رزونانس مغناطیس هسته‌ای) انجام می‌گیرد. این دستگاه، شامل بخش‌های مختلف آشکارساز، منبع موج رادیویی، قسمت پیمایش میدان مغناطیسی (متشکل از یک جفت سیم‌پیچ) و قسمت مغناطیس است.

طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای در محدوده فرکانس رادیویی بین ۴ تا ۶۰۰ مگاهرتز انجام می‌شود. هدف از انجام این فرایند، تشخیص و بررسی ساختار مولکول‌ها است. در حالت عدم وجود میدان مغناطیسی خارجی، تمام هسته‌های مغناطیسی انرژی برابری دارند. در صورت وجود میدان خارجی، جهت‌گیری‌های مختلف به انرژی‌های متفاوتی نیز مربوط خواهند شد. بدون وجود میدان مغناطیسی، تمام حالت‌های اسپین هسته، از سطح انرژی یکسان برخوردار هستند ولی در صورت وجود میدان مغناطیسی، حالت‌های اسپینی متفاوت می‌باشند. کربن و هیدروژن، مثال‌های خوبی برای هسته‌های دارای اسپین هستند.

تغییر مکان شیمیایی

همانطور که در متن اشاره گردید، در فرکانس‌های مختلف رادیویی، قدرت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای اتم هیدروژن در مولکول مدنظر، جهت جذب انرژی، به محیط شیمیایی آن وابسته است. اگر در طی فرایند طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای همه اتم‌های هیدروژن، یک تابش الکترومغناطیس را به میزان برابر جذب نمایند، فقط یک جذب رخ می‌دهد. در این حالت در می‌یابیم که مولکول، شامل اتم هیدروژن است و درباره ساختار آن اطلاعاتی نخواهیم داشت.

می‌دانیم که هسته در مولکول هیدروژن به واسطه الکترون‌ها احاطه شده است. حرکت الکترون‌ها در هسته موجب به وجود آمدن میدان مغناطیسی درونی بر خلاف میدان مغناطیسی اعمالی می‌شود. این میدان مغناطیسی داخلی، باعث تغییر در محیط مغناطیسی در هسته می‌شود. میدان موثر حس شده توسط هسته با رابطه زیر قابل نمایش است:

میدان موثر حس شده توسط هسته = میدان مغناطیسی اعمالی – میدان مغناطیسی تولید شده توسط الکترون‌ها

عموما مقدار جابجایی شیمیایی اتم هیدروژن، عددی است مابین  ۰ و 14. این عدد به خوبی بیانگر ساختار خاص مولکول خواهد بود و به الکترونگاتیوی، گروه‌های عاملی، پیوندهای دوگانه و بسیاری عوامل دیگر وابسته است. با تقسیم تغییر مکان یک پروتون بر حسب هرتز به فرکانس طیف سنج بر حسب مگاهرتز، واحد جدیدی به نام تغییر مکان شیمیایی به دست می‌آید و مستقل از میدان است.

قاعده N+1

در طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای باید دانست اسپین‌های یک گروه از هسته‌ها بر روی رفتار رزونانسی گروه دیگری از آنها، موثر است. در حقیقت نوعی برهم‌کنش میان دومجموعه از پروتون‌ها حاکم است. این برهم کنش شبب می‌شود که هر پروتون، تعداد پروتون‌های معادل بر روی اتم‌های کربن مجاور را که برابر با n ، در نظر گرفته می‌شود، حس کند.

قله رزونانس در این حالت، به n+1 قسمت، تقسیم می‌گردد. بر اثر برهم کنش گشتاور مغناطیسی هسته با گشتاور هسته‌های مجاور، شکافت نقاط اوج جابجایی شیمیایی ایجاد می‌شود. میدان مغناطیسی که به واسطه هسته‌، ایجاد می‌شود، بر پراکنش الکترون‌های پیوندی به دیگر هسته‌ها، موثر است. تغییراتی که در پراکنش الکترون در هسته‌های مجاور ایجاد می‌شود، منجربه شکافت ترازهای انرژی و در نهایت گذارهای چندگانه می‌گردد.

ثابت کوپلاژ

در فرایند طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته‌ای، فاصله بین قله‌ها را ثابت کوپلاژ (J) می‌نامند و آن را با حرف J نمایش می‌دهند. واحد اندازه‌گیری ثابت کوپلاژ، هرتز (Hz) و یا سیکل در ثانیه (cps) می‌باشد. در حقیقت، ثابت کوپلاژ میزان تاثیرگذاری بر هسته توسط حالات اسپینی که در مجاورت آن قرار دارند، می‌باشد. معمولا مقدار این ثابت در ترکیبات معمولی، بین صفر تا ۱۸ هرتز اندازه‌گیری می‌شود.

اهمیت و کاربرد طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای

همانگونه که در ابتدای مقاله ذکر گردید، مهمترین کاربرد تکنیک طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای استفاده از آن در علم پزشکی است. در ادامه به بررسی کامل‌تر کاربردهای این تکنیک می‌پردازیم.

کشف شاخص‌های زیستی درگیر در فرآیندهای زیستی، مهمترین کاربرد طیف سنجی رزونانس هسته‌ای است. منظور از شاخص‌های زیستی مولکول‌ها و ژن‌ها هستند. به کمک این تکنیک غیرتهاجمی، می‌توان عامل یا عوامل ایجاد اختلالات زیستی ناشی از یک بیماری را مورد بررسی قرار داد. تا کنون، بیش از ششصد و پنجاه و نه بیماری با کمک این تکنیک، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. از جمله موارد استفاده از تکنیک NMR می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مطالعه و بررسی طیف وسیعی از مواد شیمیایی، متابولیت‌ها، ژن‌ها و …
• بررسی بیماری‌های انسان از جمله انواع بیماری‌های قلبی و عروقی، سرطان‌ها، چاقی، دیابت و …
• پیش‌بینی خطرات بیماری‌ها و اثرات داروهای مختلف بر بدن انسان
• بررسی‌ بیماری‌های خود ایمنی از جمله سیلیاک، مالتیپل اسکلروزیس (MS) و …
• استفاده در تصویر برداری با کنتراست بالا از همه بافت‌ها و اندام‌های بدن از جمله قلب، مغز، کبد، طحال، کلیه‌ها، لوزالمعده، سینه و سایر اندام‌ها (تصویر MRI)

همانگونه که مشاهده می‌شود، امروزه این تکنیک نقش مهم و حیاتی در زندگی انسان دارد.