1H-spektret av tørr etanol av Bjørn Pedersen. begrenset

13C-spektret av tørr etanol av Bjørn Pedersen. begrenset

Oversatt fra engelsk Nuclear Magnetic Resonance. Populært kalt NMR og i medisinske anvendelser MR da nuclear er knyttet til radioaktive stoffer i de kretser.

Fenomenet er grunnlaget for NMR-spektroskopi og MR-tomografi. Energinivåene som benyttes er ikke gitt i prøven, som i andre former for optisk spektroskopi, men oppstår først når prøven er plassert i et magnetfelt. Fenomenet er knyttet til isotoper som har spinn og et magnetisk dipolmoment. Et elektron har også spinn og magnetisk dipolmoment, så elektronspinnresonans er et analogt fenomen.

Spinn er en størrelse som har med egenrotasjon å gjøre. For en atomkjerne er spinnet kvantisert og kvantetallet kalles I. I er en karakteristisk størrelse for hver isotop, og I kan ha en av verdiene 0, 1/2, 1, 3/2 osv. Et proton, et nøytron og et elektron har alle I = ½. Isotoper med I = 0 er isotoper hvor både atomnummeret og massetallet er like tall som 12C og 16O. Slike isotoper er usynlige i NMR. Isotoper med I = ½ er 1H, 13C, 15N, 19F, 31P og flere andre isotoper med større atomnummer. Isotoper med I = 1 er f. eks. deuteronet og 14N. Alle isotopene av halogenene har I = 3/2.

Isotopene med I = ½ er mest studert, og vi skal begrense oss til dem her. Dette er isotoper som inngår i organiske stoffer. Det har gjort at NMR-spektroskopi er en av de mest brukte spektroskopiske metodene i den delen av kjemien i dag. 

En atomkjerne med spinnkvantetall I kan bare innta 2I + 1 stillinger i rommet - en atomkjerne med I = ½ kan således bare innta to stillinger i rommet. I et magnetfelt (B) vil de to stillingene være parallelle med B eller motsatt rettet B. Da atomkjernen også har et magnetisk dipolmoment som kalles μ (gresk bokstav my), får kjernen potensiell energi -μB når dipolmomentet er parallelt med magnetfeltet og +μB når dipolmomentet er motsatt rettet magnetfeltet. Det betyr at fotoner med energi hv kan absorberes eller emitteres fra en samling av slike atomkjerner. Her er h Plancks konstant og ν (gresk bokstav ny) frekvensen av strålingen (strømmen av fotoner). Grunnligningen i NMR er derfor: hν = 2μB. Den verdien av ν som passer inn i ligningen kalles resonansfrekvensen. Det er pga denne ligningen at fenomenet kalles kjernemagnetisk resonans.

Av grunnligningen ser vi at resonansfrekvensen er avhengig av hvilken isotop vi studerer (μ) og styrken på magnetfeltet (B). Begrensningen ligger i magnetfeltet i de magnetene som kan kjøpes på markedet. Den elektromagnetiske stråling som er nødvendig å bruke ligger i radioområdet fra 10 MHz til 1 GHz.

Etter at prøven er satt inn i spektrometeret tar det tid før samlingen av atomkjerner med spinn (spinnsystemet) kommer i likevekt. Det samme skjer når spinnsystemet utsettes for radiobølger med frekvens lik resonansfrekvensen. En størrelse som er et mål for tiden kalles spinn-gitterrelaksasjonstiden og er gitt symbolet T1. T1 kan være fra brøkdeler av sekunder til minutter. T1 er forskjellig for forskjellige grupper i molekylet og avhenger av temperaturen og løsemiddelet.

En atomkjerne i et molekyl er omgitt av en sky av elektroner. Elektronskyen reagerer også på magnetfeltet slik at det settes opp et motsatt rettet magnetfeltet i kjernens posisjon (Lenz' lov). Det betyr at magnetfeltet i atomkjernens posisjon avhenger av hvordan atomkjernen er bundet kjemisk i molekylet. Et NMR-spektrum vil derfor inneholde like mange topper som det kjemisk forskjellige grupper i molekylet som studeres. Endringen i resonansfrekvensen kalles et kjemisk skift og måles i forhold til en intern standard.

Strukturformelen for etanol er CH3CH2OH. Etanolen er løst i deuterert kloroform (DCCl3). Spektret  består av tre topper, en fra CH3, en fra CH2 og en fra OH. Da det kjemiske skiftet er proporsjonalt med magnetfeltet, måles skiftet i ppm i forhold til spektrometerfrekvensen. Det kjemiske skiftet i ppm blir dermed en stoffparameter uavhengig av hvilket spektrometer som er brukt for å ta opp spektret. De interne standarden er TMS (TetraMetylSilan (CH3)4Si). Kjemisk skift for CH3 er 1,10 ppm og for CH2 3,57 ppm. Det kjemiske skiftet for OH vil variere som vi kommer tilbake til nedenfor.

Tallet i spektret under hver topp er arealet under toppen. Det er proporsjonalt med antall H-atomer som bidrar til toppen: 2 til CH2-toppen, 1 til OH-toppen og 3 til CH3-toppen. Det kan brukes til å identifisere toppene. I en blanding av flere stoffer, kan dette brukes til å bestemme hvor mye det er av hvert stoff i blandingen. NMR kan brukes derfor både til kvalitativ og kvantitativ analyse.

De tre toppene viser finstruktur. Den er vist over hver av de tre toppene i spektret. Finstrukturen skyldes at 1H-atomene i en gruppe er koblet sammen via bindingselektronene til 1H-atomene i nabogruppene. Da elektronene også har spinn, vil elektronfordelingen rundt en atomkjerne påvirkes av om spinnet til en atomkjerne i nabogruppen peker opp eller ned. Med to spinn vil man ha fire muligheter: ↑↑, ↑↓ ↓↑, ↓↓. Både CH3-toppen og OH-toppen splitter derfor opp i tre topper med intensitetsfordeling 1:2:1 (en triplett). Generelt vil en gruppe som er koblet til N andre H-atomer splitte opp i N+1-topper. Denne N+1-regelen gjelder bare når det kjemiske skiftet er stort i forhold til koblingskonstanten. CH2-gruppen er koblet både til CH3 og til OH. Toppen splitter derfor opp til en kvartett (fra CH3) som igjen er splittet opp i dubletter (fra OH). 

Avstanden mellom to nabotopper i tripletten kalles koblingskonstanten og er gitt symbolet J. J er uavhengig av magnetfeltet og måles i hertz (Hz = 1/s). J avhenger av elektronfordelingen rundt begge de atomkjernene som er koblet sammen. J  mellom CH2 og CH3 og J mellom CH2 og OH er nesten like og omtrent 8,0 Hz. Da det er tre bindinger mellom H-atomene i dette tilfelle skrives koblingskonstanten 3J. Størrelsen på koblingskonstanten blir mindre dess flere bindinger det er mellom H-atomene. Om alle bindingene er enkeltbindingerer er  5J = 0. Med dobbeltbindinger i molekylet kan 5J være forskjellig fra 0.

Spektret består bare av to store topper når koblingen til 1H-atomene er fjernet (hvilket er enkelt eksperimentelt). Vi bruker TMS også her som intern standard. Kjemisk skift for CH3 er 17,4 ppm og for CH2 55,8 ppm. De to toppene viser ingen finstruktur som skyldes kobling til 13C i nabogruppen. Det skyldes at bare 1,1 % av karbonatomene er isotopen 13C. Resten er 12C som har I = 0. Det er derfor bare 1,1 % sannsynlighet for at nabokarbonatomet til et 13C-atom er et 13C-atom.

Fjerner man ikke koblingen til 1H, splitter CH3-toppen opp i en kvartett som igjen splitter opp i tripletter som vist til høyre i spektret ovenfor. Koblingskonstanten som gir kvartetten er en 1J-kobling til de tre H-atomene i CH3-gruppen (lik 120 Hz). Koblingskonstanten som gir triplettene er en 3J-kobling til H-atomene i CH2-gruppen (lik 4 Hz). Analogt splitter CH2-toppen opp i en triplett som igjen er splittet opp kvartetter som vist til venstre i spektret ovenfor. Koblingen til HO-gruppen er tydeligvis for liten til å føre til oppsplitting. De tre små toppene ved 77 ppm er fra løsemiddelet.

Det understrekes at de NMR-spektrene vi har drøftet her, er av vannfri (tørr) etanol løst i DCCl3. Setter vi til litt surt vann, vil finstrukturen i OH-toppen forsvinne og det kjemiske skiftet forandres. Det skyldes at H-atomet i OH-gruppen starter å hoppe fra molekyl til molekyl i løsningen slik at finstrukturen midles bort. Det er et eksempel på at NMR også kan brukes til å studere molekyldynamikk.

Et NMR-spektrometer består av magnet, prøveholder, radiosender, radiomottager og datamaskin. Datamaskinen styrer radiosenderen, mottar signalene i radiomottageren og beregner NMR-spektret.

Når prøven er på plass i spektrometeret, bestråles den kort med kraftig radiostråling med resonansfrekvensen. Det kalles en radiopuls eller ganske enkelt en puls. Frekvensen av pulsen er bestemt av størrelsen på magnetfeltet og isotopen som studeres. Pulsen gjør at atomkjernene endrer orientering. Umiddelbart etter pulsen mottas et signal i radiomottageren i spektrometeret fra kjernene når de går tilbake til den orienteringen de hadde tidligere. Signalet overføres til datamaskinen. Fra signalet beregner datamaskinen NMR-spektret som vises på dataskjermen eller som kan skrives ut på en skriver. Beregningen er en matematisk operasjon som kalles fouriertransformering (se FFT). 

Spektret inneholder både topper og støy. Nok en puls sendes mot prøven, og man får et nytt signal som legges til det forrige i datamaskinen, og spektret beregnes på nytt. Dette gjør toppene i spektret større i forhold til støyen. Mellom hver puls må man vente en viss tid slik at kjernene kommer i likevekt, hvis ikke kan noen av toppene i spektret bli for små. Forholdet mellom signalet og støyen øker med kvadratroten av antall pulser. Med 10 000 pulser øker forholdet derfor med en faktor på 100.

Når operatøren av spektrometeret synes spektret er godt nok, kan det skrives ut. Operatøren kan også skrive ut posisjonen av de enkelte toppene. Fra disse dataene kan forskjellige NMR-parametere som kjemisk skift, koblingskonstanter og relaksasjonstider beregnes. Fra arealet under toppene kan man beregne hvor mange atomer som bidrar til hver topp.

Hvor fort man får et tilstrekkelig godt spekter er avhengig av konsentrasjonen av stoffet i prøveløsningen. Det avhenger også av styrken på magnetfeltet: sterkere magnetfelt gjør at man trenger færre pulser for å få et tilstrekkelig godt spekter. Da det kjemiske skiftet (målt i Hz) er proporsjonalt med magnetfeltet, vil også toppene kommer lenger fra hverandre og finstrukturen (målt i Hz) enklere å tolke ved et høyere magnetfelt. Men prisen på magneten øker sterkt med styrken, dermed er det et økonomisk spørsmål hvor sterke magneter som er tilgjengelig lokalt.

Vi har hittil forutsatt at vi studerer stoffer i en løsning. Det er også mulig å studere faste stoffer med NMR, men de spektrene har vanligvis bare en bred topp som skyldes kobling mellom kjernenes dipolmomenter. De koblingen midles bort i løsning av pga molekylenes bevegelse. Med med mere avanserte metoder er det mulig å få spektra av faste stoffer som viser finstruktur og ligner på væskespektra. 

De forskjellige NMR-parameterene kan fortelle hvilke forbindelser som er i løsningen, strukturformelen til den enkelte forbindelse, hvor mye det er av hver forbindelse og om det foregår dynamiske prosesser i løsningen som overgang mellom konformere eller utbytting av H-atomer mellom molekylene.

Det er alltid vanskelig å finne ut når en historie begynner. Begynte den i 1925 da de to hollandske doktorstudentene George Uhlenbeck (1900-88) og Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) fant finstruktur i de optiske spektra de studerte og forklarte den ved å foreslå at et elektron er en partikkel med spinn og magnetisk dipolmoment? Eller begynte den året før da Wolfgang Pauli (1900-54) foreslo at atomkjernen hadde spinn?

Den begynte i hvert fall i 1938 da Isidor Isaac Rabi (1898-1988) for første gang brukte kjernemagnetisk resonans til å øke nøyaktigheten i sine målinger av molekyler i en gass. Han oppdaget 7Li- og 35Cl-NMR i frie LiCl-molekyler. Eksperimentet var foreslått av hollenderen C. J. Gorter(1907-80) da han besøkte Rabis laboratorium. Rabi fikk nobelprisen i fysikk i 1944; Gorter ble bare takket i artikkelen Rabi publiserte.

For alvor begynte historien først i 1945 da forskere tok opp grunnforskningen igjen etter den andre verdenskrigen. Forskningsgruppen til Felix Bloch (1905-83) ved Stanford University og gruppen til Edward Mills Purcell (1912-97) ved Harvard University oppdaget uavhengig av hverandre magnetisk resonans i kondenserte faser: Bloch i vann og Purcell i parafinvoks. De var klar over at Gorter hadde forsøkt både før og under krigen, men uten resultat. I ettertid fant man at det skyldtes at prøvene han studerte var for rene og temperaturen for lav.

Bloch var på jakt etter en metode til å måle magnetfelter. Han benyttet to spoler som sto loddrett på hverandre og kalte sin metode nuclear induction. Takket være brødrene Varian, som hadde tjent penger på klystroner under krigen, tok han ut patent på sin metode og brødrene etablerte et firma som i femtiårene markedsførte de første kommersielle NMR-spektrometere.

Purcell brukte mikrobølger i sine første målinger. Men hans medarbeidere bygget snart spektrometere i radioområdet. Sammen med sine studenter Nicolaas  Bloembergen og Robert Pound utviklet Purcell en enkel teori for magnetisk relaksasjon kjent som BPP etter forfatterne. Bloch og Purcell delte Nobelprisen i fysikk for sine oppdagelser i 1952. Bloembergen fikk sin først i 1981 for sitt bidrag til spektroskopi med en laser.

Begrensningen de første årene var ikke elektronikken i radiosenderen og mottageren, men magneten. De benyttet jernmagneter som var noen store og tunge kolosser. Problemet var stabiliteten av magnetfeltet og hvor mye magnetfeltet varierte over prøven (homogeniteten). Men da det ble oppdaget finstruktur i spektrene ble det fart på utviklingen av bedre magneter. Og allerede før 1950 var det oppdaget finstruktur som skyldes magnetisk dipolkobling, kjemisk skift, J-kobling og kvadrupolkobling. Erwin Hahn, doktorgradsstudent hos Bloch, bygget det første puls-NMR-spektrometeret, også før 1950, og oppdaget spinnekko.

Mye av utviklingen i årene etter skyldes konstruksjon av bedre og sterkere magneter. I 1969 kom de første magnetene med en supraledende spole i en tank av flytende helium. Med en slik kunne man lage magneter som var omtrent 10 ganger sterkere enn en jernmagnet. Med transistoren og etter hvert andre halvledere kunne man bygge bedre radiosendere og mottagere. Dessuten kom det etter hvert sterkere og billigere datamaskiner som muliggjorde innføring av stadig mer raffinerte pulsmetoder.

Hovedæren for overgang til pulsmetoder er gitt til sveitseren Richard Robert Ernst (1933-). Før den tiden var det nesten bare 1H som ble studert (i hvert fall av kjemikere). Etter økningen i følsomheten kunne man også observere naturlig forekommende 13C på rimelig tid. Dermed kunne organikere ikke bare studere H-substituenter, men også selve ryggraden i organiske molekyler. Også 15N-NMR ble mulig.

Magnetiske feltgradienter ble i sekstiårene brukt til å studere diffusjon. Gradienten gjør NMR-signalet stedsavhengig, og dermed vil signalet avta om spinnene flytter seg. I begynnelsen av 1970-årene fikk Paul C. Lauterbur (1929-), og omtrent samtidig Peter Mansfield (1933-), ideen om at en feltgradient kunne brukes til å lage bilder. Fra disse to pionerene har industrien utviklet dagens MR-tomografer.

Nesten alle nevnt med navn ovenfor har fått Nobelprisen og er presentert nærmere på Nobelstiftelsens hjemmeside.

NMR-spektrene vist ovenfor er opptatt av senioringeniør Dirk Petersen på Bruker DRX500-spektrometeret ved Kjemisk institutt, Universitet i Oslo.

 

 

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

15. september skrev Einar Skarstad Egeland

Trykkfeil i figurtekst under andre figur, 13H skal være 13C:

"13H-spektret av tørr etanol av Bjørn Pedersen. begrenset "

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.