Bài giảng Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (TS. Đỗ Quyên ĐH Dược Hà Nội)

PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
Đỗ Quyên – Bộ môn Dược liệu &
Phòng Quản lý Khoa học


NỘI DUNG
1. Khái niệm cơ bản
2. Một số thông số trong Phổ cộng hưởng từ hạt

nhân (NMR)
3. Bài tập


KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.

Tính chất từ của hạt nhân

2.

Tính chất của hạt nhân từ trong từ trường ngoài

3.

Hấp thụ năng lượng

4.

Cơ chế của sự cộng hưởng

1. Tính chất từ của hạt nhân
• Nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử và lớp
vỏ electron.


1. Tính chất từ của hạt nhân (tiếp)
• Hạt nhân nguyên tử luôn quay quanh trục của nó
sinh ra momen động lượng hay gọi là momen spin
hạt nhân P.
• Khi hạt nhân nguyên tử quay quanh trục của nó thì
điện tích hạt nhân sẽ chuyển động trên một vòng
tròn quanh trục làm xuất hiện một dòng điện.


1. Tính chất từ của hạt nhân (tiếp)
• Do vậy xuất hiện 1 từ trường kèm theo, nó trở thành 1
nam châm vĩnh cửu.
• Tính từ này của hạt nhân được biểu thị định lượng qua
momen lưỡng cực từ μ.


1. Tính chất từ của hạt nhân (tiếp)
• Thực nghiệm chỉ ra rằng không phải tất cả các hạt nhân
đều có tính từ. Một số hạt nhân không có tính từ như
12C, 16O, 32S

… còn các hạt nhân có từ tính như 13C, 14N,

15N, 19F, 31P

…


2. Tính chất của hạt nhân từ trong từ trường
ngoài
• Nếu đặt một hạt nhân từ vào một từ trường của nam
châm, thì sinh ra một lực làm lệch hướng từ của hạt
nhân.

• Hướng lệch của momen từ hạt nhân cùng hướng với
đường sức của từ trường (giống như kim nam châm
cùng hướng với từ trường của trái đất).

• Nếu như làm lệch kim nam châm một góc ɵ, rồi thả kim
nam châm tự do thì nó sẽ chuyển động trở lại vị trí cân
bằng ban đầu.



3. Sự hấp thụ năng lượng


3. Sự hấp thụ năng lượng
• Vị trí cân bằng là vị trí có mức năng lượng thấp nhất.
• Độ lệch càng cao thì năng lượng E của kim càng lớn.
• E = Bo x μ hay E = -Bo x μ x cosɵ; trong đó E: năng
lượng, Bo cường độ từ trường ngoài, μ là moment từ
(giá trị tuyệt đối), ɵ góc lệch.

• Vì cos có giá trị từ -1 đến +1 cho nên E sẽ tiếp nhận các

giá trị từ + μBo đến – μBo.


3. Sự hấp thụ năng lượng


4. Cơ chế của sự cộng hưởng (resonance)


• Khi đặt hạt nhân có từ tính vào trường hiệu dụng
làm cho trục quay của spin lệch đi 1 tần số góc ω
(gọi là tần số Larmor).
• Trường hiệu dụng càng lớn thì tần số Larmor càng
lớn.
• Ví dụ: trường hiệu dụng là 1,41 Tesla, thì tần số
tương ứng là 60 MHz.




1. Độ dịch chuyển hóa học
Nếu đặt một hạt nhân nguyên tử vào một từ trường ngoài thì lớp
vỏ electron quay quanh hạt nhân sẽ sản ra một lưỡng cực từ, mà
cường độ của nó ngược hướng với từ trường bên ngoài và tỷ lệ
với cường độ từ trường ngoài.
 Từ trường hiệu dụng (champ magnétique effectif)
Do vậy hạt nhân nguyên tử không chịu tác dụng hoàn toàn của

từ trường Bo mà từ trường Bo yếu đi chỉ còn là Be = Bo(1-σ)
Trong đó Be: từ trường hiệu dụng

σ: hằng số chắn

Độ lớn của σ có thể tính theo công thức Lamb.

Trong đó e: điện tích; m: khối lượng của electron; c: tốc độ
ánh sáng; p: mật độ electron bao quanh hạt nhân; r: khoảng
cách từ tâm hạt nhân


 Hằng số chắn σ
- Hạt nhân riêng lẻ :  =

.B0

2

Tần số cộng hưởng

- Electron bao quang lớp vỏ nguyên tử càng lớn thì hắng số chắn
càng lớn và trường hiệu dụng càng nhỏ.
- Nguyên nhân xuất hiện hằng số chắn là do các từ trường phụ xuất
hiện xung quanh hạt nhân làm yếu đi hay mạnh lên cường độ từ
trường Bo. (Có hiệu ứng nghịch từ và hiệu ứng thuận từ)

eff =

.Beff

Beff = Bo-σBo = Bo (1-σ)

2

 Mật độ điện tử (σ) + mạnh

Hiệu ứng blindage
Tần số cộng hưởng (năng lượng) + lớn
Tín hiệu dịch chuyển về phía trường cao

 Mật độ điện tử (σ) + yếu

déblindage

-

Hiệu ứng déblindage

Fréquence eff

+

blindage


Xét proton H ở nhóm CH3 của phân tử tetrametylsilan (TMS) và
aceton.
Thấy bao quanh proton H là đám mây electron nên từ trường hiệu
dụng Be tác dụng nên nó sẽ nhỏ hơn Bo.

eff =

.Beff

Be ở TMS nhỏ hơn nên TMS nhỏ hơn

2

Do ảnh hưởng của nhóm C=O hút electron đã làm đám mây
electron ở proton H của aceton nhỏ hơn ở proton H của TMS.
Kết quả hằng số chắn σ ở proton của TMS lớn hơn của aceton,
nghĩa là từ trường hiệu dụng Be tác dụng lên vị trí hạt nhân H ở
TMS nhỏ hơn ở aceton.
σTMS > σ aceton


Độ dịch chuyển hóa học phụ thuộc vào độ âm điện của X
Bảng 1. Độ dịch chuyển hóa học CH3 của CH3X phụ thuộc vào độ âm điện của X

Nhóm thế X

Độ âm điện

Độ dịch chuyển hóa
học (CH3)

F

4.0

4.22

Cl

3.5

3.01

Br

3.2

2.65

I

3.0

2.15


 Dộ dịch chuyển hóa học 
- Để đo được tần số (cộng hưởng) thường so sánh với chất chuẩn.


 = i - réf =

2

Bo (σréf-σ)

Chất chuẩn được sử dụng nhiều nhất trong 1H, 13C :

tétraméthysilane (TMS) : Si (CH3)4

i - réf = (σréf-σ) = (σréf-σ)
=
réf
(1-σréf )
Pour 1H, σ  10-5 à 10-6

réf = 300 MHz et  = 3750 Hz
 = 7,27 ppm (CHCl3/TMS)
- ordre de grandeur

ppm : partie par million

Noyau

Étendue de l’échelle des 

1H

14 ppm
300 ppm
1100 ppm
800 ppm

13C
19F
31P

Độ dịch chuyển hóa học của 1 chất là giống nhau không phụ thuộc vào từ
trường ngoài
=
Ex.

i x 106
0

appliquée

ppm

(partie par million)
 = 1 - 


Độ dịch chuyển hóa học

Từ trường

Tần số

TMS
Hằng số chắn mạnh
blindage

Hằng số chắn yếu
déblindage

12 11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1 0
ppm


Độ dịch chuyển hóa học của proton 1H


Hằng số chắn

 Hiệu ứng cảm ứng
- Hiệu ứng –I (nhóm hút điện tử) :  σ

- Hiệu ứng +I (nhóm cho điện tử) :

σ




- Hiệu ứng giảm theo chiều dài liên kết (khoảng cách)