Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cùng với phổ khối và nhiễu xạ đơn tinh thể tia X hiện là những công cụ mạnh và thường được sử dụng nhất hiện nay trong xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ.

Khi đặt một chất có hật nhân có số spin (I) lẻ (1H, 13C…) được đặt trong một từ trường ngoài (B0), các spin hạt nhân sẽ được sắp xếp lại theo hai hướng: thuận và ngược chiều với từ trường và đạt tới trạng thái cân bằng giữa hai trạng thái này với một tỉ lệ xác định của 2 trạng thái. Nếu dùng một bức xạ điện từ có tần số thích hợp chiếu xạ lên chất đó, các spin sẽ hấp thu năng lượng (cộng hưởng) và chuyển lên mức năng lượng cao (sắp xếp ngược chiều với từ trường). Khi ngưng chiếu xa, các spin hạt nhân sẽ giải phóng năng lượng để trở về trạng thái cân bằng. Xác định năng lượng mà các hạt nhân cùng một loại nguyên tố trong phân tử hấp thu (hay giải phóng) sẽ thu được phổ cộng hưởng từ hạt nhân của các chất đó. Có 2 cách xác định năng lượng cộng hưởng này. Cách thứ nhất là xác định tần số cộng hưởng theo từng tần số trong suốt dải tần số cộng hưởng, cách này được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân quét. Cách thứ 2 là ghi nhận đồng thời mọi tần số cộng hưởng rồi sử dụng biến đổi Fourier để tách riêng tần số cộng hưởng của từng hạt nhận. Kỹ thuật này được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân biến đổi Fourier (Fourier transform – NMR, FT – NMR) và là kỹ thuật sử dụng chủ yếu hiện nay.

Nguyên thuỷ, phổ cộng hưởng từ hạt nhân là tần số cộng hưởng của các hạt nhân trong phân tử. Tuy nhiên, tần số hấp thu của hạt nhân thay đổi theo từ trường ngoài B0. Để thuận tiện và loại bỏ ảnh hưởng của B0 trong số liệu phổ, người ta chia sự chênh lệch tần số cộng hưởng của hạt nhân so với một chất chuẩn (thường dùng nhất là trimethyl silan, TMS) cho tần số cộng hưởng của chất chuẩn đó. Vì kết quả thu được (Hz/MHz) là rất nhỏ (phần triệu) nên người ta dùng ppm để thể hiện giá trị cộng hưởng của các hạt nhân. Giá trị này thường được gọi là chuyển dịch hoá học. Giá trị chuyển dịch hoá học của các proton thường nằm trong khoảng 0 – 14 ppm, còn của carbon-13 là từ 0 – 240 ppm.

Như đã trình bày ở trên, tần số cộng hưởng của hạt nhân phụ thuộc vào từ trường của máy. Từ trường càng cao, dải tần số dùng để kích thích các hạt nhân càng rộng, phép đo càng nhạy và chính xác, độ phân giải ngày càng cao. Do vậy, ta thường gọi phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân 200 MHz, 300 MHz hay 500 MHz… là theo tần số dùng để kích thích các proton.

Có nhiều kỹ thuật xác định phổ cộng hưởng từ hạt nhân khác nhau được áp dụng. Mỗi kỹ thuật dùng để xác định những đặc tính cộng hưởng từ nhất định của hạt nhân. Tuỳ vào mục đích và mức độ phức tạp của cấu trúc, người ta có thể đo 1 hay nhiều loại phổ khác nhau. Người ta có thể xác định phổ của cùng một loại hạt nhân (1H hay 13C) như trong các phổ một chiều (1H-NMR,  13C-NMR, DEPT), hay các mối tương quan giữa các loại hạt nhân trong các phổ 2 chiều (COSY, HETCOR, Long-range HETCOR, NOESY…).

Phổ proton (1H-NMR hay proton NMR) cho biết môi trường hoá học của proton trong phân tử. Các proton có môi trường hoá học khác nhau sẽ có chuyển dịch hoá học khác nhau. Ví dụ, các proton của liên kết với carbon thơm hay liên hợp thường chuyển dịch trong vùng 6 – 8 ppm; các proton trong alkan thường chuyển dịch trong vùng 0 – 2 ppm… Phổ proton của 1 proton hay 1 nhóm proton có cùng môi trường hoá học (như 3 proton của nhóm CH3) thể hiện trên phổ có thể là 1 đỉnh. Đỉnh này có thể là đỉnh đơn, đôi, ba… tới 7 đỉnh thành phần (đỉnh 7). Diện tích của mỗi đỉnh tỉ lệ với số lượng proton của đỉnh. Dựa vào diện tích đỉnh có thể biết số proton của đỉnh đó. Một thông số quan trọng khác của phổ proton là hằng số ghép (J) tính bằng Hz, cho biết tương tác của proton với các proton kế cận.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13 (13C-NMR) cung các cấp thông tin về môi trường hoá học của carbon. Carbon lai hoá sp3không liên kết với dị tố chuyển dịch trong khoảng 0 – 60 ppm. Carbon liên kết đơn với oxy (alcol, ether) chuyển dịch trong khoảng 45 – 85 ppm. Carbon lai hoá sp2 chuyển dịch trong khoảng 100 – 150 ppm; nếu có liên kết (đôi) với oxy có thể chuyển dịch tới 240 ppm. Với kỹ thuật đo phổ hiện tại, phổ NMR của carbon là những vạch đơn, mỗi vạch ứng với một carbon (hơn 1 carbon nếu chúng có chung môi trường hoá học) của phân tử.

Các kỹ thuật xác định số lượng proton trên carbon cho biết số lượng proton liên kết trên mỗi carbon. Nói cách khác, nó cho biết carbon đó là C, CH, CH2 hay CH3, gián tiếp cho biết số C và H trong phân tử. Kỹ thuật hiện thường được sử dụng hiện nay là DEPT (detortionless enhancement by polarization transfer). Trong phổ DEPT-153, carbon bậc IV không xuất hiện, carbon bậc II là các đỉnh âm, C bậc III và bậc I là các đỉnh dương, ở phổ DEPT-90, chỉ còn các C bậc III là các đỉnh dương trong phổ.

Ngoài các kỹ thuật phổ một chiều, các kỹ thuật phổ hai chiều còn cho thêm các thông tin về tương tác giữa C và H gắn trực tiếp trên nó (thường dùng hiện nay là HSQC), giữa proton của các carbon kế cận nhau (phổ COSY) hay phổ tương tác dị nhân (HETCOR) giữa proton và các carbon kế cận (thường dùng hiện nay là kỹ thuật HSQC) hay xa hơn (long-range HETCOR, thường dùng hiện nay là HMBC); hoặc giữa các proton gần nhau trong không gian (NOESY, ROESY); hay giữa các carbon kế cận nhau (incredible natural abundance double quantum transfer experiment, NADEQUATE).

Vai trò của các phổ thu được từ các kỹ thuật phổ cộng hưởng từ hạt nhân khác nhau trong xác định cấu trúc có thể tóm tắt như sau:

Với các kỹ thuật phổ NMR, người ta có thể biết được mối liên hệ giữa các proton và carbon trong phân tử. Kết hợp với phổ khối và các thông tin khác người ta có thể xây dựng được cấu trúc phân tử của hợp chất. Trong khá nhiều trường hợp, chỉ bằng NMR người ta cũng có thể xác định được cấu trúc và cấu hình lập thể của chất cần phân tích.

Do có rất nhiều thông tin đặc trưng về cấu trúc phân tử, việc sô sánh phổ proton hay carbon một chiều của một chất với một chất đã biết cho phép xác định một chất một cách tin cậy.

Ngày nay, chỉ cần lượng mẫu ở mức mg hay thấp hơn đã có thể xác định cấu trúc của một chất. Khả năng này giúp ích rất nhiều trong nghiên cức các tự nhiên, khi mà cá chất rất khó phân lập và thường chỉ thu được với một lượng nhỏ.

Ngoài việc xác định cấu trúc, phổ cộng hưởng từ hạt nhân còn được dùng trong định lượng các chất trong phân tích định lượng như các phương pháp phổ khác. Tuy  nhiên, do thiết bị đắt tiền nên cách thức này ít được sử dụng. Việc kết nối cộng hưởng từ hạt hân với các thiết bị sắc ký lỏng có nhiều khó khăn. Tuy vậy, hiện đã có những hệ thống ghép nối HPLC-NMR để phân tích và xác định các chất chiết từ dược liệu.

Ngoài các phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân dùng trong phân tích cấu trúc, kỹ thuật xác định hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân cũng được sử dụng trong chẩn đoán y khoa.