برخي هسته‌ها، مانند الکترون به دور محور خود حرکت چرخشی دارند. در حضور يک ميدان آهنربايي خارجي، يک هسته در حال چرخش تنها تعداد معدودي جهت‌گيري پايدار دارد. رزونانس مغناطيس هسته(NMR) هنگامی ایجاد می شود که یک هسته اسپین دار با جذب تابش الکترومغناطیسی به مقدار کافي، در حضور يک ميدان آهنربايي از يک جهت‌گيري با انرژي پايين‌تر به يک جهت‌گيري با انرژي بالاتر برانگيخته شود. طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ شامل اندازه‌گیري ميزان انرژي لازم براي تغيير هسته‌هاي اسپين دار از يک جهت‌گيري پايدار به جهت‌گيري ناپايدارتر در يک ميدان مغناطيسي است. از آنجا که هسته‌هاي اسپين‌دار در ميدان مغناطيسي در فرکانس‌هاي مختلف تغيير جهت مي‌دهند، فرکانس متفاوتي از تابش جذبي براي عوض کردن جهت‌گيري هسته‌هاي اسپين‌دار نياز مي‌باشد. فرکانسي که در آن جذب صورت مي‌گيرد براي تجزيه و طيف‌سنجي به کار برده مي‌شود[1].
رزونانس مغناطيسي هسته‌اي براي اولين بار در سال 1946 به طور مستقل توسط فليکس بلوخ از دانشگاه استانفورد و ادوارد پارسل از دانشگاه‌ هاروارد کشف شد. آنها توانستند جذب تابش الکترومغناطيسي را که در نتيجه انتقال تراز انرژي هسته در يک ميدان مغناطيسي قوي صورت مي‌گيرد را نشان دهند. اين دو فيزيکدان در سال 1952 به خاطر کارشان موفق به دريافت جايزة نوبل شدند. در پنج سالة اول پس از کشف روش رزونانس مغناطيس هسته شيميدان‌ها دريافتند که محيط مولکولي اجسام بر جذب تابش توسط هسته‌ها در حضور يک ميدان مغناطيسي اثر مي‌گذارد و اين اثر مي‌تواند به ساختمان مولکول ارتباط داده شود. از آن پس رشد روش طيف‌سنجي تشديد مغناطيسي هسته انفجارآمیز بوده است و اين روش اثر قابل توجهي در توسعة‌ شيمي آلي، شيمي معدني و بيوشيمي داشته است [2]. در سال 1999 یک تیم فیزیکدان کانادایی موفق به توسعه یک روش جدید با استفاده از روش رزونانس مغناطیس هسته‌ای Beta شدند که این روش قادر به نشان دادن خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک می باشد از روش های BetaNMR در علوم نانویی استفاده می شود[3].
اندازه حرکت زاويه‌اي اسپين در هسته‌ها توسط عدد کوانتومي اسپين هسته مشخص مي‌شود. عددکوانتومي اسپين هسته ‌هر عدد صحيح يا نيمه صحيحي مي‌تواند باشد. در هسته‌هايي ماند16O و 12C که فاقد اسپين هستند، عدد کوانتومي اسپين هسته صفر است. هسته‌هایي که بدون اسپين‌اند و بنابراين اندازه حرکت زاويه‌اي اسپين ندارند، نمي‌توانند توسط طيف‌سنجي NMR آشکار شوند. هسته‌هاي اسپين‌داري که توزيع بار کروي دارند،‌ داراي عدد کوانتومي اسپين 1/2 هستند. نمونه‌هايي از اين هسته‌ها شامل 13C،19F، 3H، 15N، 31P و 1H مي‌باشد که داراي عدد کوانتومي 1/2 و گشتاور مغناطيسي هستند. براي آن که يک هسته در ميدان آهنربايي تابش الکترومغناطيس را به مقدار زياد جذب کند بايد در نمونه از فراواني بالايي برخودار باشد و همچنين بايد گشتاور مغناطيسي (µ) نسبتاً بزرگ داشته باشد. هسته‌هایي که هر دو خاصيت مورد بحث را دارند شامل1H،19 F ،21 P مي‌باشد. به طور معمول بيشتر اندازه‌گيري‌هاي ‌NMR براي 1H انجام مي‌شود. اندازه‌گيري ساير هسته‌ها اغلب با استفاده از روش‌هاي افزايش علامت به منظور مشاهده طيف، انجام می شود. معمولاً از ميان هسته‌هايي با فراواني نسبي پايين که رزونانس مغناطيس هسته‌ را نشان مي‌دهند،12C ، 15N ، 16O بيشتر مورد توجه شيميدان‌ها قرار دارد. روش رزونانس مغناطيسي هسته‌اي هيدورژن (1H) که بيشتر از ديگر هسته‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد داراي گشتاور مغناطيسي در حدود 2/7927= µ است براي اسپين‌هاي هسته‌اي 1/2 ، اختلاف انرژي بين دو سطح اسپين در يک ميدان مغناطيسي داده شده متناسب با گشتاور مغناطيسي آن خواهد بود. براي ديگر هسته‌ها که براي طيف‌سنجي تشديد مغناطيسي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرند گشتاور مغناطيسي به ترتيب براي 21P،19F 12C برابر2/6873 ,1/1305 و 0/7022 مي‌باشد[4].
در اکثر موارد حساسيت دستگاه‌هاي تشديد مغناطيسي هسته‌اي غيرپروتوني مثل 12C و غيره در مقايسه با HNMR کمتر است. همچنين در بيشتر ترکيبات، فراواني طبيعي هسته‌هاي مغناطيسي غيرپروتوني به ميزان قابل ملاحظه‌اي کمتر از پروتوني است. اين عامل سبب مي‌شود که طيف‌هاي NMR هسته‌هاي غيرپروتوني، سیگنال به نویز نسبتاً پاييني داشته باشند. پيک‌هاي اين طيف‌ها کوچک هستند و اغلب اگر از دستگاه يکساني که براي NMR هسته های پروتونی(PMR) به کار رفته، استفاده شود، طيف آنها را نمي‌توان مشخص کرد. با توجه به پايين بودن سیگنال به نویز در اين موارد، بيشتر دستگاه‌هاي طراحي شده براي ثبت طيف‌هاي NMR هسته‌هاي غيرپروتوني از چند پيمايش همراه با تکنيک ميانگين گيري از علامت استفاده مي‌کنند. متداول‌ترين دستگاه‌ها براي استخراج پيک‌هاي طيفي از تبديل فوريه استفاده مي‌کنند. دستگاه‌هاي تبديل فوريه براي تهيه طيف‌هاي PMR محلول‌هاي رقيق و مولکول‌هاي پيچيده، مانند پروتئين‌ها، که در آنها مقدار يک پروتون ويژه در مولکول اندک است، نيز به کار مي‌روند، تفاوت طيف‌هاي PMR و ساير طيف‌هاي NMR در محدوده جابجايي شيميايي است. محدوده جابه‌جايي شيميايي براي PMR در اکثر موارد 10PPM است. در حالي که براي هسته 12C جابه‌جايي شيميايي تا حدود 200PPM است اين مقدار براي طيف‌هاي 19F و 21P به ترتيب برابر 300 و 400PPM است.
در روش‌هاي NMR معمولاً واحدهاي مورد استفاده به صورت زمان (ثانيه)، زاويه (درجه يا راديان)، درجه حرارت (کلوين)، قدرت ميدان مغناطيسي (تسلا،T )، انرژي (ژول)، ارتعاش (دور بر ثانيه) و قدرت (وات) مي‌باشد. [5]
اجزاء تشکيل دهنده دستگاه NMR
اجزاء مهم يک طيف‌سنج NMR در شکل (1) به طور شماتيک نشان داده شده است توضيح مختصري از هر يک از اجزاء تشکيل دهنده در ذيل بيان مي‌شود.

شکل 1- شکل شماتیک از اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
1) آهنربا:
در طيف‌سنج‌هاي تجاري NMR هم آهنرباهاي دائم و هم آهنرباهاي الکترومغناطيسي با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرند. نوعاً ميداني در حدود 14000 گوس بين قطعات قطب‌هاي مغناطيسي که قطري برابر 12 اينچ يا بيشتر دارند، برقرار مي‌شود. مشخصات کارکردي آهنربا به خصوص براي کارهاي با تفکيک بالا، حساس و پراهميت است. ميدان ايجاد شده بايد در محوطة حضور نمونه، تا يک قسمت در108 همگن باشد و بايد تا درجة مشابهي در زمان‌هاي کوتاه پايدار بماند. براي داشتن چنين خصوصياتي، به ابزارسازي تکامل يافته‌اي که مجهز به ابزار پس خور جهت تصحيح در افت و خيز است، نياز مي‌باشد.
2- پيمايش گر ميدان مغناطيسي
استقرار يک جفت سيم‌پيچ به صورت موازي با سطوح مغناطيسی، تناوب ميدان اعمال شده در يک گسترة کوچک را امکان‌پذير مي‌سازد. با تغيير يک جريان مستقيم از ميان اين سيم‌پيچ‌ها، ميدان مؤثر را مي‌توان بدون از دست دادن همگني ميدان، تا چند صدميلي گوس تغيير داد.
معمولاً قدرت ميدان به طور خودکار و به طور خطي با زمان تغيير مي‌کند و اين تغيير با حرکت کاغذ ثبات همزمان است. براي يک دستگاه 60 مگاهرتزي، گسترة پيمايش ميدان برابر 1000 هرتز (235 ميلي‌گوس) يا چيزي حدود آن است.
3- منبع فرکانس راديويي
علامت حاصل از يک نوسانگر فرکانس راديويي (فرستنده) به داخل يک زوج سيم‌پيچي که عمود بر مسير ميدان نصب شده‌اند. خورانده مي‌شود و در نتيجه يک پرتو تابش قطبيدة مسطح به دست مي‌آيد. معمولاً از يک نوسانگر ثابت دقيقاً 60 مگاهرتزي استفاده مي‌شود. فرکانس براي کار با تفکيک بالا، بايد تا حدود يک قسمت در °10 ثابت باشد. توان خروجي اين منبع کمتر از وات است و بايد تا شايد به مقدار يک درصد در يک فاصله زماني چندين دقيقه ثابت باشد.
4- آشکارساز و سيستم ثبات:
علامت فرکانس راديويي ايجاد شده توسط هسته‌هاي در حال رزونانس، به وسيله سيم‌پيچي که ظرف نمونه را احاطه کرده است و به صورت عمود بر سيم‌پيچ منبع قرار دارد، آشکار مي‌شود. علامت الکتريکي توليد شده در سيم‌پيچ‌ها کوچک است و بايد به ضريبي برابر °10 يا بيشتر تقويت گردد تا بتواند ثبت شود.
5- ظرف نگهدارنده نمونه:
سلول متداول براي نمونه در NMR مرکب از يک لوله شيشه‌اي به قطر 5 ميلي‌متر است که حدود 0/4 ميلي‌متر از مايع در آن قرار مي‌گيرد. لوله‌هاي کوچکتر براي نمونه‌هايي با حجم کمتر نيز در دسترس است[2] .

شکل 2- ظرف نگهداری نمونه در دستگاه NMR
کاربردها:
1- مطالعه ساختار ميکرومولکول‌هاي کوچک و ترکيبات آلي موجود در محول‌ها[4]
2- مطالعه ساختار شيميايي مواد با استفاده از NMR يک بعدي [5].
3- مطالعه ساختار مولکول‌هاي بسيار پيچيده با استفاده از NMR دو بعدي [5].
4- تعيين ساختار مولکول‌هاي مواد جامد با استفاده از NMR حالت جامد [5].
5- مطالعه فیزیولوژی سلول‌ها و غلظت درون ياخته‌هاي سلولي [6].
6- روش های NMR معمولی قادر به تعيين مشخصات ساختار نانویی یا پدیده های همراه با جداسازی با درجه خلوص در مقياس نانو نیستند. زیرا که اندازه های نانویی نیاز به18 10 اسپین هسته ای برای تولید سیگنال های قابل ملاحظه دارد از این رو روش هاي رزونانس مغناطیس هسته ای Beta که بعداً توسعه پيدا كرده سیگنال های دریافتی آن بسیار حساس و در حدود 10 برابر روش های معمولی است برای تعيين خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک در مقياس نانو به کار می رود[3].
7- ارایه اطلاعات ساختاری با دقت نانومتر از ساختارهای پیچیده بیولوژیک مانند ویروس ها [7]
منابع:
1- معصومي علي، شيمي دستگاهي ، دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران شمال، چاپ اول 1374، ص 544
2- آزاد و همكاران‌ ، اصول تجزية دستگاهي، جلد اول مرکز نشر دانشگاهي، چاپ چهارم 1374، ص 456
3-ww.triumf.info/public/repository/Hb/Hb200309.pdf "The Basis of Nanotechnology Development at TRIUMF: How Application Begin ", Canada's Nanotechnology Laratory For Particle And nuclear Physics
4-www.Cem.msu.edu/~reusch/virtual.tekd/Spectrpy/nmr/nmr1.ntm-
5-http://www.cis.rit.edu/htbooks /nmr/inside.htm the Basic of NMR
6- the application of nuelear magnetic resonance to the Study of cellular phjsioligg" , 1984, American Physiological Soeiety,
7- مغربی، شاهوردی، سمت و سوی تحقیقات در فناوری نانو، پاییز 1383، چاپ اول، ص344
ضميمه 1- ليست NMR هاي موجود در ايران
دستگاه رزونانس مغناطيس هسته(Nuclear Magnetic Resonance (NMR
رديف دانشگاه مدل نوع عضويت
1 پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي ايران Avance400 MHZ عضو
2 دانشگاه شهيد بهشتي پژوهشكده گياهان داروئي Avance 300MHZ عضو
3 دانشگاه تربيت معلم آزمايشگاه شيمي Avance 300MHz عضو
4 دانشگاه سيستان و بلوچستان Avance80MHZ عضو
5 دانشگاه ترببيت مدرس دانشكده علوم پايه 500MHZ عضو
5 دانشگاه صنعتي امير كبير پليمر و تركيبات شيميايي 300MHZ رزرو
6 دانشگاه رازي كرمانشاه آزمايشگاه شيمي تجزيه Avance 200MHZ Avance 60 MHZَ رزرو
7 دانشگاه تبريز آزمايشگاه دانشكده شيمي Avance 400MHZ رزرو
ضميمه 2- ليست مدل هاي جديد NMR
دستگاه رزونانس مغناطيس هسته(Nuclear Magnetic Resonance (NMR
رديف مدل شركت و كشور سازنده قابليت هاي جديد
1 Avance500 MHZ Bruker آلمان
2 Avance 600 MHZ Bruker آلمان تعيين ساختار پروتئين هاي بزرگتر از 10 تا 15 كيلو دالتون
3 Avance 750 MHZ Bruker آلمان
4 Avance 800 MHZ Bruker آلمان تعيين ساختار پروتيين هاي بزرگتر از 20 تا 25 كيلو دالتون
5 Avance 900 MHZ Bruker آلمان
6 LC-NMR Bruker آلمان Bruker امريكا Bruker ‍ژاپن Bruker انگلستان از تركيب كروماتوگرافي مايع و NMR ساخته شده است در مدلهاي 400، 500 و 600 موجود مي باشد براي اندازه گيري نمونه هاي در محدوده 10 نانو متر دز كمتر از 1 ساعت كاربرد دارد.
7 LC-NMR/MS Bruker آلمان از تركيب كروماتوگرافي مايع و طيف سنجي جرمي با NMR ساخته شده است