التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) هو تقنية شائعة وناجحة تعتمد على الخصائص المغناطيسية للأنوية الفردية. عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي، تُظهر بعض الأنوية حالات دوران نووي مميزة، وهو الأساس الذي يقوم عليه NMR. يحدد NMR الانتقالات بين حالات الدوران الخاصة بالأنوية المعنية، بالإضافة إلى بيئتها الكيميائية. ومع ذلك، ينطبق ذلك فقط على الأنوية التي لا تساوي دورانها صفراً؛ أما الأنوية التي تساوي دورانها صفراً فهي "غير مرئية" لطيف NMR. وبفضل هذه الخصائص، يُستخدم NMR اليوم للكشف عن البُنى الكيميائية، ومراقبة التفاعلات، ودراسة التمثيل الغذائي الخلوي، بالإضافة إلى استخدامه في الطب، والبيولوجيا، والفيزياء، والصناعة، ومجالات علمية أخرى.
يعمل التحليل الطيفي NMR من خلال تغيير تردد خرج الجهاز ضمن نطاق معين بينما يُحتفظ بالعينة تحت مجال مغناطيسي ثابت. تتراوح قوة المغناطيسات المستخدمة في أجهزة NMR بين 6 إلى 24 تسلا. توضع العينة داخل المغناطيس وتُحيط بها لفائف فائقة التوصيل، ثم تتعرض لتردد مصدر موجات الراديو. بعد ذلك، يقيم الكاشف البيانات ويرسلها إلى وحدة التحكم الرئيسية.
تظهر إشارات NMR عندما تمتص الأنوية ترددًا معينًا من موجات الراديو وتنتقل من حالة دوران إلى أخرى. تمتص النواة الإشعاع الكهرومغناطيسي عند تردد معين تحدده البيئة المغناطيسية المحيطة بها، والتي يتم التحكم بها أساساً من خلال المجال المطبق، ولكنها تتأثر أيضًا بالعزوم المغناطيسية للأنوية المجاورة. يمكن أن تكون الأنوية في عدة حالات دوران، مما يخلق بيئات مغناطيسية متنوعة يمكن أن ترن فيها النواة المراقبة، مما يؤدي إلى ظهور الإشارة كمتعدد قمم بدلاً من قمة واحدة.
الأنوية مثل البروتونات والتي لديها دوران I = 1/2 يمكن أن يكون لها لحظتان مغناطيسيتان محتملتان، مما يؤدي إلى تقسيم إشارة NMR إلى إشارتين. وتتكون أنماط متعددة معقدة عند قيام أنوية متعددة بتقسيم الإشارة إلى قمم إضافية، مما يؤثر على البيئة المغناطيسية للنواة تحت الدراسة. وإذا كانت هذه الأنوية تملك نفس الخصائص المغناطيسية، فإن جزءًا من الإشارات سيتداخل، مما يُنتج قممًا ذات شدة نسبية مختلفة. ويمكن استخدام مثلث باسكال للتنبؤ بنمط التعدد، حيث يكون عدد القمم هو n+1، حيث n هو عدد الأنوية المتكافئة.
عندما تقوم أنواع مختلفة من الأنوية بتقسيم إشارة NMR، تتحول الإشارة إلى مجموعة من متعددات القمم بسبب ثوابت اقتران مختلفة. أما الأنوية ذات I > 1/2 فلديها أكثر من لحظتين مغناطيسيتين، مما يسمح لها بتقسيم الإشارة إلى أكثر من قمتين. عدد القمم المتوقع يكون 2I + 1، لكن بعض هذه القمم قد تُحجب بواسطة الاسترخاء الرباعي القطب.
تتركز متعددات القمم حول الإزاحة الكيميائية المتوقعة للنواة إذا لم تكن إشارتها منقسمة. ويعتمد الحجم الكامل لمتعدد القمم على عدد الأنوية التي ترن عند تردد معين
الاقتران الدوراني في الجزيئات
عند فحص الجزيئات الحقيقية، يثار التساؤل حول الأنوية التي يمكنها إحداث انقسام. فقط الأنوية التي لا تساوي I = 0 تكون مرئية في طيف NMR. لا يمكن للنواة أن تكون في أكثر من حالة دوران واحدة عندما يكون I = 0، وبالتالي لا يمكنها امتصاص تردد موجة راديو ولا تُظهر إشارة NMR. كما أنها لا تقسّم إشارات أنوية أخرى. وبما أن معظم ذرات الكربون هي ¹²C، فإن هذا يبسط أطياف NMR بشكل كبير، خاصة في المركبات العضوية والعضوية المعدنية.
يجب أن تكون النواة قريبة بدرجة كافية من النواة تحت الملاحظة لكي تؤثر على بيئتها المغناطيسية وتُحدث انقساماً. عموماً، الأنوية التي تفصلها ثلاثة روابط أو أقل هي فقط القادرة على التقسيم، لأن الانقسام يتم من خلال الروابط وليس من خلال الفضاء. مع ذلك، قد لا يحدث انقسام حتى لو كانت الأنوية قريبة كفاية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون الأنوية غير متكافئة لكي يحدث التقسيم. مثال: طيف الكلوروإيثان
يُظهر طيف الكلوروإيثان مجموعتين من القمم: رباعية وثلاثية. تنتج هذه من بروتونات مجموعتي الميثيل والميثيلين، وهما نوعان مختلفان من الأنوية ذات I ≠ 0. يقوم بروتونان من الميثيلين (n = 2) بتقسيم إشارة CH₃ إلى ثلاث قمم (n+1 = 3)، وتكون نسبة تكامل القمم ثلاثة (واحدة لكل بروتون). أما ثلاثة بروتونات الميثيل (n = 3) فتقسم إشارة CH₂ إلى أربع قمم (n+1 = 4)، والتكامل هو اثنان (واحد لكل بروتون). كل زوج من الأنوية يقسّم الآخر، وبالتالي يكونان مقترنين.
ثوابت الاقتران
ثابت الاقتران هو الفرق (بالهيرتز) بين قمم متعدد القمم. وهو خاص بأنواع الأنوية التي تكوّن متعدد القمم، ولا يتأثر بقوة المجال المستخدمة في جهاز NMR. ولهذا السبب، يتم التعبير عنه بوحدة الهرتز وليس بالـ ppm.
غالبًا ما يتم التعبير عن ثوابت الاقتران كـ nJ، حيث يشير n إلى عدد الروابط بين الأنوية المقترنة. مثال: J(H-H) أو JHH لبروتونين، وJ(P-H) أو JPH بين الفوسفور والهيدروجين. تُحسب ثوابت الاقتران تجريبيًا بقياس المسافة بين قمم متعدد القمم وتمثيلها بوحدة الهرتز.
النقل الكيميائي (الإزاحة الكيميائية)
تسبب البيئة الكيميائية المحلية ترددات رنين مختلفة للبروتونات في الجزيء. ويمكن ترجمة الفرق في ترددات الرنين إلى إزاحة كيميائية (δ). وبما أن لكل بيئة كيميائية إزاحة فريدة، فإنه يمكن تعيين القمم لمجموعات وظيفية معينة.
الستيريوإيزومرية
الدياسيتيرومرات: هي أيزومرات فراغية ليست صورًا مرآوية لبعضها البعض ولا يمكن تطابقها. تمتلك خصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة.
الإينانتيومرات: هي مركبات تحتوي على مركز كيرالي، وتشكل صورًا مرآوية غير قابلة للتراكب. لا يمكن تمييزها عبر NMR العادي، لذلك يُستخدم مذيب كيرالي مثل MTPA (حمض موشر).
NMR في الحالة الصلبة
على الرغم من أن NMR يُستخدم غالبًا للسوائل، فقد تطورت التقنية لتشمل المواد الصلبة. إن NMR للحالة الصلبة يُعرف بدقته العالية بفضل تقنية التدوير بزاوية السحر (Magic Angle Spinning). في المواد الصلبة، تتسع الخطوط الطيفية بسبب ضعف الحركات الجزيئية، لذا تُستخدم تقنيات متقدمة لتحسين الدقة.
مكونات جهاز NMR
يتكون من: حاسوب التحكم -وحدة التحكم الطيفي -مغناطيس NMR
تُغمر منطقة المغناطيس بالنيتروجين السائل عند 77 كلفن. توجد طبقة حماية من الإشعاع تحتها، تليها طبقة من الهيليوم السائل عند 4.2 كلفن. يجب الحفاظ على درجة حرارة منخفضة لتفادي quenching للمغناطيس، وهي ظاهرة تؤدي لفقدان التوصيل الفائق للمغناطيس إذا ارتفعت درجة الحرارة عن 10 كلفن.