नौसिखियों के लिए एनएमआर, या परमाणु चुंबकीय अनुनाद के बारे में दस बुनियादी तथ्य। उच्च रिज़ॉल्यूशन एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण

परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) एक परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी है जिसका व्यापक रूप से सभी भौतिक विज्ञान और उद्योग में उपयोग किया जाता है। के लिए एनएमआर में परमाणु नाभिक के आंतरिक स्पिन गुणों की जांच करनाएक बड़े चुंबक का उपयोग किया जाता है. किसी भी स्पेक्ट्रोस्कोपी की तरह, यह ऊर्जा स्तरों (अनुनाद) के बीच संक्रमण पैदा करने के लिए विद्युत चुम्बकीय विकिरण (वीएचएफ रेंज में रेडियो आवृत्ति तरंगें) का उपयोग करता है। रसायन विज्ञान में, एनएमआर छोटे अणुओं की संरचना निर्धारित करने में मदद करता है। चिकित्सा में परमाणु चुंबकीय अनुनाद ने चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) में आवेदन पाया है।

प्रारंभिक

एनएमआर की खोज 1946 में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों परसेल, पाउंड और टॉरे और स्टैनफोर्ड में बलोच, हैनसेन और पैकर्ड द्वारा की गई थी। उन्होंने देखा कि 1 एच और 31 पी नाभिक (प्रोटॉन और फास्फोरस -31) चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आने पर रेडियो फ्रीक्वेंसी ऊर्जा को अवशोषित करने में सक्षम होते हैं, जिसकी ताकत प्रत्येक परमाणु के लिए विशिष्ट होती है। अवशोषित होने पर, वे प्रतिध्वनित होने लगे, प्रत्येक तत्व अपनी आवृत्ति पर। इस अवलोकन से अणु की संरचना के विस्तृत विश्लेषण की अनुमति मिली। तब से, एनएमआर ने ठोस, तरल पदार्थ और गैसों के गतिज और संरचनात्मक अध्ययन में आवेदन पाया है, जिसके परिणामस्वरूप 6 नोबेल पुरस्कार प्राप्त हुए हैं।

स्पिन और चुंबकीय गुण

नाभिक में प्राथमिक कण होते हैं जिन्हें न्यूट्रॉन और प्रोटॉन कहा जाता है। उनकी अपनी कोणीय गति होती है, जिसे स्पिन कहा जाता है। इलेक्ट्रॉनों की तरह, एक नाभिक के स्पिन को क्वांटम संख्या I और चुंबकीय क्षेत्र m में वर्णित किया जा सकता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की सम संख्या वाले परमाणु नाभिक में शून्य स्पिन होता है, और अन्य सभी में गैर-शून्य स्पिन होता है। इसके अलावा, गैर-शून्य स्पिन वाले अणुओं में चुंबकीय क्षण μ = γ होता है मैं, जहां γ जाइरोमैग्नेटिक अनुपात है, चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण और कोणीय के बीच आनुपातिकता का स्थिरांक, जो प्रत्येक परमाणु के लिए अलग है।

नाभिक का चुंबकीय क्षण इसे एक छोटे चुंबक की तरह व्यवहार करने के लिए प्रेरित करता है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में, प्रत्येक चुंबक यादृच्छिक रूप से उन्मुख होता है। एनएमआर प्रयोग के दौरान, नमूना को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र B0 में रखा जाता है, जिसके कारण कम-ऊर्जा बार मैग्नेट B0 दिशा में और उच्च-ऊर्जा बार मैग्नेट विपरीत दिशा में संरेखित होते हैं। इस स्थिति में, चुम्बकों के स्पिन के अभिविन्यास में परिवर्तन होता है। इस अमूर्त अवधारणा को समझने के लिए, किसी को एनएमआर प्रयोग के दौरान नाभिक के ऊर्जा स्तर पर विचार करना चाहिए।

उर्जा स्तर

स्पिन को फ़्लिप करने के लिए, क्वांटा की एक पूर्णांक संख्या की आवश्यकता होती है। किसी भी m के लिए 2m + 1 ऊर्जा स्तर होते हैं। एक स्पिन 1/2 नाभिक के लिए केवल 2 होते हैं - एक निचला वाला, B0 के साथ संरेखित स्पिन द्वारा कब्जा कर लिया जाता है, और एक उच्च वाला, B0 के विपरीत संरेखित स्पिन द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। प्रत्येक ऊर्जा स्तर को अभिव्यक्ति E = -mℏγB 0 द्वारा परिभाषित किया गया है, जहां m चुंबकीय क्वांटम संख्या है, इस मामले में +/- 1/2। m > 1/2 के लिए ऊर्जा स्तर, जिसे चतुर्ध्रुव नाभिक के रूप में जाना जाता है, अधिक जटिल हैं।

स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर बराबर है: ΔE = ℏγB 0, जहां ℏ प्लैंक स्थिरांक है।

जैसा कि देखा जा सकता है, चुंबकीय क्षेत्र की ताकत का बहुत महत्व है, क्योंकि इसकी अनुपस्थिति में स्तर ख़राब हो जाता है।

ऊर्जा परिवर्तन

परमाणु चुंबकीय अनुनाद उत्पन्न होने के लिए, ऊर्जा स्तरों के बीच एक स्पिन फ्लिप होना चाहिए। दोनों अवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर विद्युत चुम्बकीय विकिरण की ऊर्जा से मेल खाता है, जिसके कारण नाभिक अपने ऊर्जा स्तर को बदलते हैं। अधिकांश के लिए एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटरबी 0 ऑर्डर 1 टेस्ला (टी) का है, और γ ऑर्डर 10 7 का है। इसलिए, आवश्यक विद्युत चुम्बकीय विकिरण 10 7 हर्ट्ज के क्रम का है। एक फोटॉन की ऊर्जा को सूत्र E = hν द्वारा दर्शाया जाता है। इसलिए, अवशोषण के लिए आवश्यक आवृत्ति है: ν= γB 0 /2π।

परमाणु परिरक्षण

एनएमआर की भौतिकी परमाणु परिरक्षण की अवधारणा पर आधारित है, जो पदार्थ की संरचना निर्धारित करने की अनुमति देती है। प्रत्येक परमाणु इलेक्ट्रॉनों से घिरा होता है जो नाभिक की परिक्रमा करते हैं और उसके चुंबकीय क्षेत्र पर कार्य करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा स्तर में छोटे परिवर्तन होते हैं। इसे परिरक्षण कहते हैं. नाभिक जो स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक इंटरैक्शन से जुड़े विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों का अनुभव करते हैं, उन्हें गैर-समतुल्य कहा जाता है। स्पिन फ्लिप में ऊर्जा के स्तर को बदलने के लिए एक अलग आवृत्ति की आवश्यकता होती है, जो एनएमआर स्पेक्ट्रम में एक नया शिखर बनाता है। स्क्रीनिंग फूरियर ट्रांसफॉर्म का उपयोग करके एनएमआर सिग्नल का विश्लेषण करके अणुओं के संरचनात्मक निर्धारण की अनुमति देती है। परिणाम एक स्पेक्ट्रम है जिसमें चोटियों का एक सेट होता है, प्रत्येक एक अलग रासायनिक वातावरण के अनुरूप होता है। शिखर क्षेत्र सीधे नाभिकों की संख्या के समानुपाती होता है। द्वारा विस्तृत संरचना जानकारी निकाली जाती है एनएमआर इंटरैक्शन, स्पेक्ट्रम को विभिन्न तरीकों से बदलना।

विश्राम

विश्राम से तात्पर्य नाभिकों के अपनी स्थिति में लौटने की घटना से है ऊष्मागतिकीय रूप सेऐसी स्थितियाँ जो उत्तेजना के बाद उच्च ऊर्जा स्तर तक स्थिर रहती हैं। यह निचले स्तर से ऊंचे स्तर तक संक्रमण के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मुक्त करता है। यह एक जटिल प्रक्रिया है जो विभिन्न समय-सीमाओं में होती है। दो सबसे सामान्यविश्राम के प्रकार स्पिन-जाली और स्पिन-स्पिन हैं।

विश्राम को समझने के लिए पूरे पैटर्न पर विचार करना जरूरी है। यदि नाभिक को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो वे Z अक्ष के साथ वॉल्यूम चुंबकीयकरण बनाएंगे। उनके स्पिन भी सुसंगत हैं और सिग्नल का पता लगाने की अनुमति देते हैं। एनएमआर बल्क मैग्नेटाइजेशन को जेड अक्ष से एक्सवाई विमान में स्थानांतरित करता है, जहां यह दिखाई देता है।

स्पिन-जाली विश्राम को Z अक्ष के साथ 37% वॉल्यूम चुंबकीयकरण को बहाल करने के लिए आवश्यक समय T 1 की विशेषता है। विश्राम प्रक्रिया जितनी अधिक कुशल होगी, T 1 उतना ही कम होगा। ठोस पदार्थों में, चूँकि अणुओं के बीच गति सीमित होती है, विश्राम का समय लंबा होता है। माप आमतौर पर स्पंदित तरीकों का उपयोग करके किया जाता है।

स्पिन-स्पिन विश्राम को पारस्परिक सुसंगति समय टी 2 के नुकसान की विशेषता है। यह T1 से कम या उसके बराबर हो सकता है।

परमाणु चुंबकीय अनुनाद और उसके अनुप्रयोग

दो मुख्य क्षेत्र जिनमें एनएमआर अत्यंत महत्वपूर्ण साबित हुआ है वे हैं चिकित्सा और रसायन विज्ञान, लेकिन हर दिन नए अनुप्रयोग विकसित हो रहे हैं।

परमाणु चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग, जिसे आमतौर पर चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के रूप में जाना जाता है महत्वपूर्ण चिकित्सा निदान उपकरण, मानव शरीर के कार्यों और संरचना का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह आपको सभी संभावित स्तरों पर किसी भी अंग, विशेषकर कोमल ऊतकों की विस्तृत छवियां प्राप्त करने की अनुमति देता है। कार्डियोवैस्कुलर, न्यूरोलॉजिकल, मस्कुलोस्केलेटल और ऑन्कोलॉजी इमेजिंग के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है। वैकल्पिक कंप्यूटर इमेजिंग के विपरीत, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग आयनकारी विकिरण का उपयोग नहीं करती है और इसलिए पूरी तरह से सुरक्षित है।

एमआरआई समय के साथ होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकता है। एनएमआर इमेजिंग का उपयोग बीमारी के दौरान होने वाली संरचनात्मक असामान्यताओं की पहचान करने के लिए किया जा सकता है, वे बाद के विकास को कैसे प्रभावित करते हैं, और उनकी प्रगति विकार के मानसिक और भावनात्मक पहलुओं से कैसे संबंधित है। क्योंकि एमआरआई हड्डी की अच्छी तरह से कल्पना नहीं करता है, यह इंट्राक्रैनियल और की उत्कृष्ट छवियां बनाता है अंतःकशेरुकीसामग्री।

निदान में परमाणु चुंबकीय अनुनाद का उपयोग करने के सिद्धांत

एमआरआई प्रक्रिया के दौरान, रोगी को एक विशाल, खोखले बेलनाकार चुंबक के अंदर रखा जाता है और एक शक्तिशाली, निरंतर चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में लाया जाता है। शरीर के स्कैन किए गए भाग में विभिन्न परमाणु विभिन्न क्षेत्र आवृत्तियों पर प्रतिध्वनित होते हैं। एमआरआई का उपयोग मुख्य रूप से हाइड्रोजन परमाणुओं के कंपन का पता लगाने के लिए किया जाता है, जिसमें एक घूमता हुआ प्रोटॉन नाभिक होता है जिसमें एक छोटा चुंबकीय क्षेत्र होता है। एमआरआई में, एक पृष्ठभूमि चुंबकीय क्षेत्र ऊतक में सभी हाइड्रोजन परमाणुओं को रेखाबद्ध करता है। एक दूसरा चुंबकीय क्षेत्र, जो पृष्ठभूमि क्षेत्र से भिन्न रूप से उन्मुख होता है, प्रति सेकंड कई बार चालू और बंद होता है। एक निश्चित आवृत्ति पर, परमाणु प्रतिध्वनित होते हैं और दूसरे क्षेत्र के साथ पंक्तिबद्ध हो जाते हैं। जब यह बंद हो जाता है, तो परमाणु पृष्ठभूमि के साथ संरेखित होकर वापस उछलते हैं। यह एक सिग्नल बनाता है जिसे प्राप्त किया जा सकता है और एक छवि में परिवर्तित किया जा सकता है।

बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन वाले ऊतक, जो पानी के हिस्से के रूप में मानव शरीर में मौजूद होते हैं, एक उज्ज्वल छवि बनाते हैं, और कम या कोई हाइड्रोजन सामग्री (उदाहरण के लिए, हड्डियां) के साथ वे अंधेरे दिखते हैं। एमआरआई की चमक गैडोडायमाइड जैसे कंट्रास्ट एजेंट द्वारा बढ़ाई जाती है, जिसे मरीज प्रक्रिया से पहले लेते हैं। हालाँकि ये एजेंट छवि गुणवत्ता में सुधार कर सकते हैं, प्रक्रिया की संवेदनशीलता अपेक्षाकृत सीमित रहती है। एमआरआई की संवेदनशीलता बढ़ाने के तरीके विकसित किए जा रहे हैं। सबसे आशाजनक पैराहाइड्रोजन का उपयोग है, जो अद्वितीय आणविक स्पिन गुणों वाला हाइड्रोजन का एक रूप है जो चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति बहुत संवेदनशील है।

एमआरआई में उपयोग किए जाने वाले चुंबकीय क्षेत्रों की विशेषताओं में सुधार से प्रसार और कार्यात्मक एमआरआई जैसी अत्यधिक संवेदनशील इमेजिंग तकनीकों का विकास हुआ है, जो बहुत विशिष्ट ऊतक गुणों की छवि बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। इसके अतिरिक्त, एमआरआई तकनीक का एक अनूठा रूप जिसे चुंबकीय अनुनाद एंजियोग्राफी कहा जाता है, का उपयोग रक्त की गति को चित्रित करने के लिए किया जाता है। यह आपको सुइयों, कैथेटर या कंट्रास्ट एजेंटों की आवश्यकता के बिना धमनियों और नसों को देखने की अनुमति देता है। एमआरआई की तरह, इन तकनीकों ने बायोमेडिकल अनुसंधान और निदान में क्रांति लाने में मदद की है।

उन्नत कंप्यूटर प्रौद्योगिकी ने रेडियोलॉजिस्ट को एमआरआई स्कैनर द्वारा प्राप्त डिजिटल अनुभागों से त्रि-आयामी होलोग्राम बनाने की अनुमति दी है, जिसका उपयोग क्षति के सटीक स्थान को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। टोमोग्राफी मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी के साथ-साथ मूत्राशय और रद्दी हड्डी जैसे पैल्विक अंगों की जांच करने में विशेष रूप से मूल्यवान है। यह विधि ट्यूमर क्षति की सीमा को जल्दी और स्पष्ट रूप से सटीक रूप से निर्धारित कर सकती है और स्ट्रोक से संभावित क्षति का आकलन कर सकती है, जिससे डॉक्टर समय पर उचित उपचार लिख सकते हैं। एमआरआई ने बड़े पैमाने पर आर्थ्रोग्राफी, उपास्थि या लिगामेंट क्षति को देखने के लिए जोड़ में कंट्रास्ट सामग्री को इंजेक्ट करने की आवश्यकता, और मायलोग्राफी, रीढ़ की हड्डी या इंटरवर्टेब्रल डिस्क असामान्यताओं को देखने के लिए रीढ़ की हड्डी की नहर में कंट्रास्ट सामग्री के इंजेक्शन को प्रतिस्थापित कर दिया है।

रसायन शास्त्र में आवेदन

कई प्रयोगशालाएँ आज महत्वपूर्ण रासायनिक और जैविक यौगिकों की संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए परमाणु चुंबकीय अनुनाद का उपयोग करती हैं। एनएमआर स्पेक्ट्रा में, विभिन्न शिखर विशिष्ट रासायनिक वातावरण और परमाणुओं के बीच बंधन के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। अधिकांश सामान्यचुंबकीय अनुनाद संकेतों का पता लगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले आइसोटोप 1 एच और 13 सी हैं, लेकिन कई अन्य उपयुक्त हैं, जैसे 2 एच, 3 हे, 15 एन, 19 एफ, आदि।

आधुनिक एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी ने जैव-आणविक प्रणालियों में व्यापक अनुप्रयोग पाया है और संरचनात्मक जीव विज्ञान में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कार्यप्रणाली और उपकरणों के विकास के साथ, एनएमआर बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स के विश्लेषण के लिए सबसे शक्तिशाली और बहुमुखी स्पेक्ट्रोस्कोपिक तरीकों में से एक बन गया है, जो 100 केडीए आकार तक उनके और उनके परिसरों के लक्षण वर्णन की अनुमति देता है। एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी के साथ यह एक है उनकी संरचना निर्धारित करने के लिए दो प्रमुख प्रौद्योगिकियों में सेपरमाणु स्तर पर. इसके अलावा, एनएमआर प्रोटीन फ़ंक्शन के बारे में अनूठी और महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है, जो दवा विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कुछ उपयोग एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपीनीचे दिए गए हैं.

• जलीय घोल में बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स की परमाणु संरचना को निर्धारित करने की यह एकमात्र विधि है शारीरिकस्थितियाँ या झिल्ली-नकल करने वाला वातावरण।
• आणविक गतिशीलता. ये सबसे ताकतवर है बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स के गतिशील गुणों के मात्रात्मक निर्धारण के लिए विधि.
• प्रोटीन की तह। एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपीप्रकट प्रोटीन और तह मध्यस्थों की अवशिष्ट संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए सबसे शक्तिशाली उपकरण है।
• आयनीकरण अवस्था. यह विधि बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स में आयनीकरण जैसे कार्यात्मक समूहों के रासायनिक गुणों को निर्धारित करने में प्रभावी है एंजाइमों के सक्रिय स्थलों के आयनीकरण योग्य समूहों की अवस्थाएँ.
• परमाणु चुंबकीय अनुनाद मैक्रोबायोमोलेक्यूल्स (उदाहरण के लिए, माइक्रोमोलर और मिलिमोलर रेंज में पृथक्करण स्थिरांक के साथ) के बीच कमजोर कार्यात्मक इंटरैक्शन के अध्ययन की अनुमति देता है, जो अन्य तरीकों का उपयोग करके नहीं किया जा सकता है।
• प्रोटीन जलयोजन. एनएमआर आंतरिक पानी और बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स के साथ इसकी बातचीत का पता लगाने के लिए एक उपकरण है।
• यह अनोखा है प्रत्यक्ष अंतःक्रिया का पता लगाने की विधिहाइड्रोजन बांड।
• स्क्रीनिंग और दवा विकास. विशेष रूप से, परमाणु चुंबकीय अनुनाद दवाओं की पहचान करने और एंजाइम, रिसेप्टर्स और अन्य प्रोटीन से जुड़े यौगिकों की संरचना निर्धारित करने में विशेष रूप से उपयोगी है।
• देशी झिल्ली प्रोटीन. सॉलिड-स्टेट एनएमआर में क्षमता है झिल्ली प्रोटीन डोमेन की परमाणु संरचनाओं का निर्धारणमूल झिल्ली के वातावरण में, जिसमें बंधे हुए लिगेंड भी शामिल हैं।
• चयापचय विश्लेषण.
• रासायनिक विश्लेषण। सिंथेटिक और प्राकृतिक रसायनों की रासायनिक पहचान और गठनात्मक विश्लेषण।
• पदार्थ विज्ञान। पॉलिमर रसायन विज्ञान और भौतिकी के अध्ययन में एक शक्तिशाली उपकरण।

अन्य अनुप्रयोगों

परमाणु चुंबकीय अनुनाद और इसके अनुप्रयोग चिकित्सा और रसायन विज्ञान तक सीमित नहीं हैं। यह विधि जलवायु परीक्षण, पेट्रोलियम उद्योग, प्रक्रिया नियंत्रण, पृथ्वी क्षेत्र एनएमआर और मैग्नेटोमीटर जैसे अन्य क्षेत्रों में बहुत उपयोगी साबित हुई है। गैर-विनाशकारी परीक्षण महंगे जैविक नमूनों पर बचत करता है, जिन्हें अधिक परीक्षण की आवश्यकता होने पर पुन: उपयोग किया जा सकता है। भूविज्ञान में परमाणु चुंबकीय अनुनाद का उपयोग चट्टानों की सरंध्रता और भूमिगत तरल पदार्थों की पारगम्यता को मापने के लिए किया जाता है। मैग्नेटोमीटर का उपयोग विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों को मापने के लिए किया जाता है।

1.घटना का सार

सबसे पहले, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यद्यपि इस घटना के नाम में "परमाणु" शब्द शामिल है, एनएमआर का परमाणु भौतिकी से कोई लेना-देना नहीं है और इसका रेडियोधर्मिता से कोई लेना-देना नहीं है। यदि हम सख्त विवरण के बारे में बात करते हैं, तो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के बिना कोई रास्ता नहीं है। इन कानूनों के अनुसार, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ चुंबकीय कोर की बातचीत की ऊर्जा केवल कुछ अलग मान ले सकती है। यदि चुंबकीय नाभिक को एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र से विकिरणित किया जाता है, जिसकी आवृत्ति आवृत्ति इकाइयों में व्यक्त इन असतत ऊर्जा स्तरों के बीच अंतर से मेल खाती है, तो चुंबकीय नाभिक वैकल्पिक ऊर्जा को अवशोषित करते हुए एक स्तर से दूसरे स्तर पर जाना शुरू कर देते हैं। मैदान। यह चुंबकीय अनुनाद की घटना है. यह स्पष्टीकरण औपचारिक रूप से सही है, लेकिन बहुत स्पष्ट नहीं है। क्वांटम यांत्रिकी के बिना, एक और व्याख्या है। चुंबकीय कोर की कल्पना एक विद्युत आवेशित गेंद के रूप में की जा सकती है जो अपनी धुरी पर घूमती है (हालाँकि, सख्ती से कहें तो, ऐसा नहीं है)। इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार, चार्ज के घूमने से एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति होती है, यानी, नाभिक का चुंबकीय क्षण, जो रोटेशन की धुरी के साथ निर्देशित होता है। यदि इस चुंबकीय क्षण को एक स्थिर बाहरी क्षेत्र में रखा जाता है, तो इस क्षण का वेक्टर बाहरी क्षेत्र की दिशा के चारों ओर घूमना शुरू कर देता है। उसी तरह, शीर्ष की धुरी ऊर्ध्वाधर के चारों ओर घूमती है (घूमती है) यदि इसे सख्ती से लंबवत रूप से नहीं, बल्कि एक निश्चित कोण पर घुमाया जाता है। इस मामले में, चुंबकीय क्षेत्र की भूमिका गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा निभाई जाती है।

पूर्वसर्ग आवृत्ति नाभिक के गुणों और चुंबकीय क्षेत्र की ताकत दोनों द्वारा निर्धारित की जाती है: क्षेत्र जितना मजबूत होगा, आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी। फिर, यदि, एक निरंतर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के अलावा, कोर एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होता है, तो कोर इस क्षेत्र के साथ बातचीत करना शुरू कर देता है - ऐसा लगता है कि कोर अधिक मजबूती से स्विंग कर रहा है, पूर्ववर्ती आयाम बढ़ जाता है, और कोर परिवर्तनशील क्षेत्र की ऊर्जा को अवशोषित करता है। हालाँकि, यह केवल अनुनाद की स्थिति के तहत होगा, यानी, पूर्वसर्ग आवृत्ति और बाहरी वैकल्पिक क्षेत्र की आवृत्ति का संयोग। यह स्कूल भौतिकी के क्लासिक उदाहरण के समान है - सैनिक एक पुल के पार मार्च कर रहे हैं। यदि कदम की आवृत्ति पुल की प्राकृतिक आवृत्ति के साथ मेल खाती है, तो पुल अधिक से अधिक झूलता है। प्रयोगात्मक रूप से, यह घटना एक वैकल्पिक क्षेत्र के अवशोषण की उसकी आवृत्ति पर निर्भरता में प्रकट होती है। अनुनाद के क्षण में, अवशोषण तेजी से बढ़ता है, और सबसे सरल चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रम इस तरह दिखता है:

2. फूरियर स्पेक्ट्रोस्कोपी

पहले एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर बिल्कुल ऊपर वर्णित अनुसार काम करते थे - नमूना एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र में रखा गया था, और रेडियो फ्रीक्वेंसी विकिरण लगातार उस पर लागू किया गया था। फिर या तो प्रत्यावर्ती क्षेत्र की आवृत्ति या स्थिर चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता सुचारू रूप से भिन्न होती है। वैकल्पिक क्षेत्र ऊर्जा का अवशोषण एक रेडियो फ़्रीक्वेंसी ब्रिज द्वारा रिकॉर्ड किया गया था, जिससे सिग्नल एक रिकॉर्डर या ऑसिलोस्कोप को आउटपुट किया गया था। लेकिन सिग्नल रिकॉर्डिंग की इस पद्धति का उपयोग लंबे समय से नहीं किया गया है। आधुनिक एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर में, स्पेक्ट्रम को दालों का उपयोग करके रिकॉर्ड किया जाता है। नाभिक के चुंबकीय क्षण एक छोटे शक्तिशाली नाड़ी द्वारा उत्तेजित होते हैं, जिसके बाद स्वतंत्र रूप से पूर्ववर्ती चुंबकीय क्षणों द्वारा आरएफ कॉइल में प्रेरित संकेत रिकॉर्ड किया जाता है। जैसे-जैसे चुंबकीय क्षण संतुलन में लौटते हैं, यह संकेत धीरे-धीरे कम होकर शून्य हो जाता है (इस प्रक्रिया को चुंबकीय विश्राम कहा जाता है)। फूरियर ट्रांसफॉर्म का उपयोग करके इस सिग्नल से एनएमआर स्पेक्ट्रम प्राप्त किया जाता है। यह एक मानक गणितीय प्रक्रिया है जो आपको किसी भी सिग्नल को फ़्रीक्वेंसी हार्मोनिक्स में विघटित करने की अनुमति देती है और इस प्रकार इस सिग्नल का फ़्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम प्राप्त करती है। स्पेक्ट्रम रिकॉर्ड करने की यह विधि आपको शोर के स्तर को काफी कम करने और प्रयोगों को बहुत तेजी से संचालित करने की अनुमति देती है।

किसी स्पेक्ट्रम को रिकॉर्ड करने के लिए एक उत्तेजना पल्स सबसे सरल एनएमआर प्रयोग है। हालाँकि, एक प्रयोग में अलग-अलग अवधि, आयाम, उनके बीच अलग-अलग देरी आदि के कई ऐसे स्पंदन हो सकते हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि शोधकर्ता को परमाणु चुंबकीय क्षणों की प्रणाली के साथ किस प्रकार के हेरफेर की आवश्यकता है। हालाँकि, इनमें से लगभग सभी पल्स अनुक्रम एक ही चीज़ में समाप्त होते हैं - एक फ्री प्रीसेशन सिग्नल की रिकॉर्डिंग जिसके बाद फूरियर ट्रांसफॉर्म होता है।

3. पदार्थ में चुंबकीय अंतःक्रिया

चुंबकीय अनुनाद अपने आप में एक दिलचस्प भौतिक घटना से अधिक कुछ नहीं रहेगा यदि यह एक दूसरे के साथ और अणु के इलेक्ट्रॉन खोल के साथ नाभिक की चुंबकीय बातचीत के लिए नहीं था। ये इंटरैक्शन अनुनाद मापदंडों को प्रभावित करते हैं, और उनकी मदद से, एनएमआर विधि अणुओं के गुणों के बारे में विभिन्न प्रकार की जानकारी प्रदान कर सकती है - उनका अभिविन्यास, स्थानिक संरचना (संरचना), अंतर-आणविक इंटरैक्शन, रासायनिक विनिमय, घूर्णी और अनुवाद संबंधी गतिशीलता। इसके लिए धन्यवाद, एनएमआर आणविक स्तर पर पदार्थों का अध्ययन करने के लिए एक बहुत शक्तिशाली उपकरण बन गया है, जिसका व्यापक रूप से न केवल भौतिकी में, बल्कि मुख्य रूप से रसायन विज्ञान और आणविक जीव विज्ञान में उपयोग किया जाता है। ऐसी ही एक अंतःक्रिया का एक उदाहरण तथाकथित रासायनिक बदलाव है। इसका सार इस प्रकार है: एक अणु का इलेक्ट्रॉन खोल बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करता है और इसे स्क्रीन करने का प्रयास करता है - चुंबकीय क्षेत्र की आंशिक स्क्रीनिंग सभी प्रतिचुंबकीय पदार्थों में होती है। इसका मतलब यह है कि अणु में चुंबकीय क्षेत्र बाहरी चुंबकीय क्षेत्र से बहुत कम मात्रा में भिन्न होगा, जिसे रासायनिक बदलाव कहा जाता है। हालाँकि, अणु के विभिन्न भागों में इलेक्ट्रॉन शेल के गुण भिन्न होते हैं, और रासायनिक बदलाव भी भिन्न होता है। तदनुसार, अणु के विभिन्न भागों में नाभिक के लिए अनुनाद की स्थिति भी भिन्न होगी। इससे स्पेक्ट्रम में रासायनिक रूप से गैर-समतुल्य नाभिकों को अलग करना संभव हो जाता है। उदाहरण के लिए, यदि हम शुद्ध पानी के हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) का स्पेक्ट्रम लें, तो केवल एक ही रेखा होगी, क्योंकि H2O अणु में दोनों प्रोटॉन बिल्कुल समान हैं। लेकिन मिथाइल अल्कोहल सीएच 3 ओएच के लिए स्पेक्ट्रम में पहले से ही दो लाइनें होंगी (यदि हम अन्य चुंबकीय इंटरैक्शन की उपेक्षा करते हैं), क्योंकि प्रोटॉन दो प्रकार के होते हैं - मिथाइल समूह सीएच 3 के प्रोटॉन और ऑक्सीजन परमाणु से जुड़े प्रोटॉन। जैसे-जैसे अणु अधिक जटिल होते जाएंगे, रेखाओं की संख्या बढ़ती जाएगी, और यदि हम इतने बड़े और जटिल अणु को प्रोटीन के रूप में लें, तो इस मामले में स्पेक्ट्रम कुछ इस तरह दिखेगा:

4. चुंबकीय कोर

एनएमआर को विभिन्न नाभिकों पर देखा जा सकता है, लेकिन यह कहा जाना चाहिए कि सभी नाभिकों में चुंबकीय क्षण नहीं होता है। अक्सर ऐसा होता है कि कुछ आइसोटोप में चुंबकीय क्षण होता है, लेकिन उसी नाभिक के अन्य आइसोटोप में नहीं होता है। कुल मिलाकर, विभिन्न रासायनिक तत्वों के सौ से अधिक आइसोटोप हैं जिनमें चुंबकीय नाभिक होते हैं, लेकिन शोध में आमतौर पर 1520 से अधिक चुंबकीय नाभिक का उपयोग नहीं किया जाता है, बाकी सब कुछ विदेशी है। प्रत्येक नाभिक में चुंबकीय क्षेत्र और पूर्वसर्ग आवृत्ति का अपना विशिष्ट अनुपात होता है, जिसे जाइरोमैग्नेटिक अनुपात कहा जाता है। सभी नाभिकों के लिए ये संबंध ज्ञात हैं। उनका उपयोग करके, आप उस आवृत्ति का चयन कर सकते हैं जिस पर, किसी दिए गए चुंबकीय क्षेत्र के तहत, शोधकर्ता को आवश्यक नाभिक से एक संकेत देखा जाएगा।

एनएमआर के लिए सबसे महत्वपूर्ण नाभिक प्रोटॉन हैं। वे प्रकृति में सबसे प्रचुर मात्रा में हैं, और उनमें बहुत अधिक संवेदनशीलता है। कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के नाभिक रसायन विज्ञान और जीवविज्ञान के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, लेकिन वैज्ञानिकों को उनके साथ ज्यादा भाग्य नहीं मिला है: कार्बन और ऑक्सीजन के सबसे आम आइसोटोप, 12 सी और 16 ओ में चुंबकीय क्षण नहीं होता है, प्राकृतिक नाइट्रोजन के आइसोटोप 14N में एक क्षण है, लेकिन यह कई कारणों से प्रयोगों के लिए बहुत असुविधाजनक है। ऐसे आइसोटोप 13 सी, 15 एन और 17 ओ हैं जो एनएमआर प्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन उनकी प्राकृतिक प्रचुरता बहुत कम है और प्रोटॉन की तुलना में उनकी संवेदनशीलता बहुत कम है। इसलिए, एनएमआर अध्ययन के लिए अक्सर विशेष आइसोटोप-समृद्ध नमूने तैयार किए जाते हैं, जिसमें किसी विशेष नाभिक के प्राकृतिक आइसोटोप को प्रयोगों के लिए आवश्यक आइसोटोप से बदल दिया जाता है। ज्यादातर मामलों में, यह प्रक्रिया बहुत कठिन और महंगी होती है, लेकिन कभी-कभी यह आवश्यक जानकारी प्राप्त करने का एकमात्र अवसर होता है।

5. इलेक्ट्रॉन अनुचुंबकीय और चतुर्ध्रुव अनुनाद

एनएमआर के बारे में बोलते हुए, कोई भी दो अन्य संबंधित भौतिक घटनाओं - इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस (ईपीआर) और न्यूक्लियर क्वाड्रुपोल रेजोनेंस (एनक्यूआर) का उल्लेख करने से नहीं चूक सकता। ईपीआर अनिवार्य रूप से एनएमआर के समान है, अंतर यह है कि प्रतिध्वनि परमाणु नाभिक के नहीं, बल्कि परमाणु के इलेक्ट्रॉन खोल के चुंबकीय क्षणों में देखी जाती है। ईपीआर केवल उन अणुओं या रासायनिक समूहों में देखा जा सकता है जिनके इलेक्ट्रॉन शेल में एक तथाकथित अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होता है, तो शेल में एक गैर-शून्य चुंबकीय क्षण होता है। ऐसे पदार्थों को अनुचुम्बक कहा जाता है। एनएमआर की तरह ईपीआर का उपयोग भी आणविक स्तर पर पदार्थों के विभिन्न संरचनात्मक और गतिशील गुणों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है, लेकिन इसके उपयोग का दायरा काफी संकीर्ण है। यह मुख्य रूप से इस तथ्य के कारण है कि अधिकांश अणुओं में, विशेष रूप से जीवित प्रकृति में, अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं। कुछ मामलों में, आप एक तथाकथित पैरामैग्नेटिक जांच का उपयोग कर सकते हैं, यानी, एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन वाला एक रासायनिक समूह जो अध्ययन के तहत अणु से बांधता है। लेकिन इस दृष्टिकोण के स्पष्ट नुकसान हैं जो इस पद्धति की क्षमताओं को सीमित करते हैं। इसके अलावा, ईपीआर में एनएमआर की तरह इतना उच्च वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन (यानी, स्पेक्ट्रम में एक पंक्ति को दूसरे से अलग करने की क्षमता) नहीं है।

एनक्यूआर की प्रकृति को "उंगलियों पर" समझाना सबसे कठिन है। कुछ नाभिकों में वह होता है जिसे विद्युत चतुर्ध्रुव आघूर्ण कहते हैं। यह क्षण गोलाकार समरूपता से नाभिक के विद्युत आवेश के वितरण के विचलन को दर्शाता है। पदार्थ की क्रिस्टलीय संरचना द्वारा निर्मित विद्युत क्षेत्र की ढाल के साथ इस क्षण की परस्पर क्रिया से नाभिक के ऊर्जा स्तर का विभाजन होता है। इस मामले में, कोई इन स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप आवृत्ति पर प्रतिध्वनि देख सकता है। एनएमआर और ईपीआर के विपरीत, एनक्यूआर को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता नहीं होती है, क्योंकि स्तर का विभाजन इसके बिना होता है। एनक्यूआर का उपयोग पदार्थों का अध्ययन करने के लिए भी किया जाता है, लेकिन इसके अनुप्रयोग का दायरा ईपीआर की तुलना में भी संकीर्ण है।

6. एनएमआर के फायदे और नुकसान

अणुओं के अध्ययन के लिए एनएमआर सबसे शक्तिशाली और सूचनाप्रद तरीका है। स्पष्ट रूप से कहें तो यह एक विधि नहीं है, यह बड़ी संख्या में विभिन्न प्रकार के प्रयोग हैं, अर्थात् नाड़ी क्रम। हालाँकि ये सभी एनएमआर की घटना पर आधारित हैं, इनमें से प्रत्येक प्रयोग कुछ विशिष्ट विशिष्ट जानकारी प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इन प्रयोगों की संख्या सैकड़ों नहीं तो कई दसियों में मापी जाती है। सैद्धांतिक रूप से, एनएमआर, यदि सब कुछ नहीं, तो लगभग सब कुछ कर सकता है जो अणुओं की संरचना और गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए अन्य सभी प्रायोगिक तरीके कर सकते हैं, हालांकि व्यवहार में यह संभव है, निश्चित रूप से, हमेशा नहीं। एनएमआर का एक मुख्य लाभ यह है कि, एक ओर, इसकी प्राकृतिक जांच, यानी चुंबकीय नाभिक, पूरे अणु में वितरित होते हैं, और दूसरी ओर, यह इन नाभिकों को एक दूसरे से अलग करने और स्थानिक रूप से चयनात्मक डेटा प्राप्त करने की अनुमति देता है। अणु के गुणों पर. लगभग सभी अन्य विधियाँ या तो पूरे अणु का औसत या उसके केवल एक हिस्से के बारे में जानकारी प्रदान करती हैं।

एनएमआर के दो मुख्य नुकसान हैं। सबसे पहले, यह अधिकांश अन्य प्रायोगिक तरीकों (ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी, प्रतिदीप्ति, ईपीआर, आदि) की तुलना में कम संवेदनशीलता है। इससे यह तथ्य सामने आता है कि शोर को औसत करने के लिए सिग्नल को लंबे समय तक जमा करना होगा। कुछ मामलों में, एनएमआर प्रयोग कई हफ्तों तक भी किया जा सकता है। दूसरे, यह महंगा है. एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर सबसे महंगे वैज्ञानिक उपकरणों में से हैं, जिनकी कीमत कम से कम सैकड़ों हजारों डॉलर है, सबसे महंगे स्पेक्ट्रोमीटर की कीमत कई मिलियन है। सभी प्रयोगशालाएँ, विशेषकर रूस में, ऐसे वैज्ञानिक उपकरण रखने में सक्षम नहीं हैं।

7. एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर के लिए चुंबक

स्पेक्ट्रोमीटर के सबसे महत्वपूर्ण और महंगे हिस्सों में से एक चुंबक है, जो एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। क्षेत्र जितना मजबूत होगा, संवेदनशीलता और वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन उतना ही अधिक होगा, इसलिए वैज्ञानिक और इंजीनियर लगातार क्षेत्रों को यथासंभव उच्च बनाने की कोशिश कर रहे हैं। चुंबकीय क्षेत्र सोलनॉइड में विद्युत प्रवाह द्वारा निर्मित होता है - धारा जितनी मजबूत होगी, क्षेत्र उतना ही बड़ा होगा। हालाँकि, धारा को अनिश्चित काल तक बढ़ाना असंभव है; बहुत अधिक धारा पर, सोलनॉइड तार बस पिघलना शुरू हो जाएगा। इसलिए, बहुत लंबे समय से, उच्च-क्षेत्र एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर ने सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग किया है, यानी, मैग्नेट जिसमें सोलनॉइड तार सुपरकंडक्टिंग स्थिति में है। इस मामले में, तार का विद्युत प्रतिरोध शून्य है, और किसी भी वर्तमान मूल्य पर कोई ऊर्जा जारी नहीं होती है। अतिचालक अवस्था केवल बहुत कम तापमान पर ही प्राप्त की जा सकती है, केवल कुछ डिग्री केल्विन, तरल हीलियम का तापमान। (उच्च-तापमान अतिचालकता अभी भी विशुद्ध रूप से मौलिक अनुसंधान का क्षेत्र है।) यह ठीक इतने कम तापमान के रखरखाव के साथ है कि मैग्नेट के डिजाइन और उत्पादन में सभी तकनीकी कठिनाइयां जुड़ी हुई हैं, जो उन्हें महंगा बनाती हैं। एक अतिचालक चुंबक थर्मस-मैत्रियोश्का के सिद्धांत पर बनाया गया है। सोलनॉइड केंद्र में, निर्वात कक्ष में स्थित होता है। यह तरल हीलियम युक्त एक आवरण से घिरा हुआ है। यह खोल एक निर्वात परत के माध्यम से तरल नाइट्रोजन के एक खोल से घिरा हुआ है। तरल नाइट्रोजन का तापमान शून्य से 196 डिग्री सेल्सियस नीचे है; यह सुनिश्चित करने के लिए नाइट्रोजन की आवश्यकता होती है कि हीलियम यथासंभव धीरे-धीरे वाष्पित हो। अंत में, नाइट्रोजन शेल को बाहरी वैक्यूम परत द्वारा कमरे के तापमान से अलग किया जाता है। ऐसी प्रणाली सुपरकंडक्टिंग चुंबक के वांछित तापमान को बहुत लंबे समय तक बनाए रखने में सक्षम है, हालांकि इसके लिए चुंबक में नियमित रूप से तरल नाइट्रोजन और हीलियम जोड़ने की आवश्यकता होती है। ऐसे चुम्बकों का लाभ, उच्च चुंबकीय क्षेत्र प्राप्त करने की क्षमता के अलावा, यह भी है कि वे ऊर्जा की खपत नहीं करते हैं: चुंबक शुरू करने के बाद, कई वर्षों तक वस्तुतः बिना किसी नुकसान के सुपरकंडक्टिंग तारों के माध्यम से करंट चलता है।

8. टोमोग्राफी

पारंपरिक एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर में, वे चुंबकीय क्षेत्र को यथासंभव एक समान बनाने का प्रयास करते हैं, वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन में सुधार के लिए यह आवश्यक है। लेकिन अगर इसके विपरीत, नमूने के अंदर चुंबकीय क्षेत्र को बहुत अमानवीय बना दिया जाता है, तो यह एनएमआर के उपयोग के लिए मौलिक रूप से नई संभावनाएं खोलता है। क्षेत्र की अमानवीयता तथाकथित ग्रेडिएंट कॉइल्स द्वारा बनाई जाती है, जो मुख्य चुंबक के साथ मिलकर काम करती हैं। इस मामले में, नमूने के विभिन्न हिस्सों में चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण अलग-अलग होगा, जिसका अर्थ है कि एनएमआर सिग्नल को पारंपरिक स्पेक्ट्रोमीटर की तरह पूरे नमूने से नहीं, बल्कि केवल इसकी संकीर्ण परत से देखा जा सकता है, जिसके लिए अनुनाद शर्तें पूरी होती हैं, यानी चुंबकीय क्षेत्र और आवृत्ति के बीच वांछित संबंध। चुंबकीय क्षेत्र के परिमाण को बदलकर (या, जो अनिवार्य रूप से एक ही चीज़ है, सिग्नल अवलोकन की आवृत्ति), आप उस परत को बदल सकते हैं जो सिग्नल उत्पन्न करेगी। इस तरह, नमूने को उसकी पूरी मात्रा में "स्कैन" करना और किसी भी यांत्रिक तरीके से नमूने को नष्ट किए बिना उसकी आंतरिक त्रि-आयामी संरचना को "देखना" संभव है। आज तक, बड़ी संख्या में तकनीकें विकसित की गई हैं जो नमूने के अंदर स्थानिक संकल्प के साथ विभिन्न एनएमआर मापदंडों (वर्णक्रमीय विशेषताओं, चुंबकीय विश्राम समय, आत्म-प्रसार दर और कुछ अन्य) को मापना संभव बनाती हैं। व्यावहारिक दृष्टिकोण से सबसे दिलचस्प और महत्वपूर्ण, एनएमआर टोमोग्राफी का अनुप्रयोग चिकित्सा में पाया गया। इस मामले में, जिस "नमूने" का अध्ययन किया जा रहा है वह मानव शरीर है। ऑन्कोलॉजी से लेकर प्रसूति तक चिकित्सा के विभिन्न क्षेत्रों में एनएमआर इमेजिंग सबसे प्रभावी और सुरक्षित (लेकिन महंगा भी) निदान उपकरणों में से एक है। यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि डॉक्टर इस पद्धति के नाम में "परमाणु" शब्द का उपयोग नहीं करते हैं, क्योंकि कुछ मरीज़ इसे परमाणु प्रतिक्रियाओं और परमाणु बम से जोड़ते हैं।

9. खोज का इतिहास

एनएमआर की खोज का वर्ष 1945 माना जाता है, जब स्टैनफोर्ड के अमेरिकी फेलिक्स बलोच और उनसे स्वतंत्र रूप से हार्वर्ड के एडवर्ड परसेल और रॉबर्ट पाउंड ने पहली बार प्रोटॉन पर एनएमआर सिग्नल देखा था। उस समय तक, परमाणु चुंबकत्व की प्रकृति के बारे में बहुत कुछ पहले से ही ज्ञात था, एनएमआर प्रभाव की सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी, और इसे प्रयोगात्मक रूप से देखने के लिए कई प्रयास किए गए थे। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि एक साल पहले सोवियत संघ में, कज़ान में, ईपीआर घटना की खोज एवगेनी ज़ावोइस्की ने की थी। अब यह सर्वविदित है कि ज़ावोइस्की ने भी एनएमआर सिग्नल का अवलोकन किया था, यह युद्ध से पहले, 1941 में हुआ था। हालाँकि, उनके पास खराब क्षेत्र एकरूपता वाला निम्न-गुणवत्ता वाला चुंबक था; परिणाम खराब रूप से प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य थे और इसलिए अप्रकाशित रहे। निष्पक्ष होने के लिए, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ज़ावोइस्की एकमात्र व्यक्ति नहीं था जिसने एनएमआर को उसकी "आधिकारिक" खोज से पहले देखा था। विशेष रूप से, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी इसिडोर रबी (परमाणु और आणविक बीम में नाभिक के चुंबकीय गुणों के अध्ययन के लिए 1944 में नोबेल पुरस्कार विजेता) ने भी 30 के दशक के अंत में एनएमआर का अवलोकन किया, लेकिन इसे एक वाद्य कलाकृति माना। किसी न किसी रूप में, हमारा देश चुंबकीय अनुनाद की प्रायोगिक पहचान में प्राथमिकता बरकरार रखता है। हालाँकि युद्ध के तुरंत बाद ज़ावोइस्की ने स्वयं अन्य समस्याओं से निपटना शुरू कर दिया, लेकिन उनकी खोज ने कज़ान में विज्ञान के विकास में बहुत बड़ी भूमिका निभाई। कज़ान अभी भी ईपीआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए दुनिया के अग्रणी वैज्ञानिक केंद्रों में से एक बना हुआ है।

10. चुंबकीय अनुनाद में नोबेल पुरस्कार

20वीं सदी के पूर्वार्द्ध में, कई नोबेल पुरस्कार उन वैज्ञानिकों को दिए गए जिनके काम के बिना एनएमआर की खोज नहीं हो सकती थी। इनमें पीटर ज़ीमैन, ओटो स्टर्न, इसिडोर रबी, वोल्फगैंग पाउली शामिल हैं। लेकिन चार नोबेल पुरस्कार सीधे तौर पर एनएमआर से संबंधित थे। 1952 में, परमाणु चुंबकीय अनुनाद की खोज के लिए फेलिक्स बलोच और एडवर्ड परसेल को पुरस्कार प्रदान किया गया था। यह भौतिकी में एकमात्र "एनएमआर" नोबेल पुरस्कार है। 1991 में, ज्यूरिख में प्रसिद्ध ईटीएच में काम करने वाले स्विस रिचर्ड अर्न्स्ट को रसायन विज्ञान में पुरस्कार मिला। उन्हें बहुआयामी एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों के विकास के लिए यह पुरस्कार दिया गया, जिससे एनएमआर प्रयोगों की सूचना सामग्री को मौलिक रूप से बढ़ाना संभव हो गया। 2002 में, रसायन विज्ञान में भी पुरस्कार के विजेता कर्ट वुथ्रिच थे, जिन्होंने अर्न्स्ट के साथ उसी तकनीकी स्कूल में पड़ोसी इमारतों में काम किया था। उन्हें घोल में प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना निर्धारित करने के तरीके विकसित करने के लिए पुरस्कार मिला। पहले, बड़े बायोमैक्रोमोलेक्यूल्स की स्थानिक संरचना निर्धारित करने की एकमात्र विधि एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण थी। अंत में, 2003 में, अमेरिकी पॉल लॉटरबर और अंग्रेज पीटर मैन्सफील्ड को एनएमआर टोमोग्राफी के आविष्कार के लिए चिकित्सा पुरस्कार मिला। अफसोस, ईपीआर के सोवियत खोजकर्ता ई.के. ज़ावोइस्की को नोबेल पुरस्कार नहीं मिला।

परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) सबसे सुरक्षित निदान पद्धति है

धन्यवाद

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सामान्य जानकारी

अर्थशास्त्र और विज्ञान में आवेदन

विधि का सार

यदि आप अचानक क्षेत्र की दिशा बदलते हैं, तो पानी का अणु बिजली का एक कण छोड़ता है। ये ऐसे चार्ज हैं जिनका पता डिवाइस के सेंसर द्वारा लगाया जाता है और कंप्यूटर द्वारा विश्लेषण किया जाता है। कोशिकाओं में पानी की सघनता की तीव्रता के आधार पर, कंप्यूटर शरीर के उस अंग या भाग का एक मॉडल बनाता है जिसका अध्ययन किया जा रहा है।

बाहर निकलने पर, डॉक्टर के पास एक मोनोक्रोम छवि होती है जिस पर आप अंग के पतले हिस्सों को बड़े विस्तार से देख सकते हैं। सूचना सामग्री के संदर्भ में, यह विधि कंप्यूटेड टोमोग्राफी से काफी आगे है। कभी-कभी जांच किए जा रहे अंग के बारे में निदान के लिए आवश्यकता से भी अधिक विवरण दिया जाता है।

चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी के प्रकार

• जैविक तरल पदार्थ,
• आंतरिक अंग।

चुंबकीय अनुनाद छिड़काव तकनीक यकृत और मस्तिष्क के ऊतकों के माध्यम से रक्त की गति की निगरानी करना संभव बनाती है।

आज चिकित्सा में यह नाम अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है एमआरआई (चुम्बकीय अनुनाद इमेजिंग ), चूंकि शीर्षक में परमाणु प्रतिक्रिया का उल्लेख रोगियों को डराता है।

संकेत

मतभेद

सापेक्ष मतभेद:
1. तंत्रिका तंत्र उत्तेजक,
2. इंसुलिन पंप,
3. अन्य प्रकार के आंतरिक कान कृत्रिम अंग,
4. कृत्रिम हृदय वाल्व,
5. अन्य अंगों पर हेमोस्टैटिक क्लैंप,
6. गर्भावस्था ( स्त्री रोग विशेषज्ञ की राय लेना आवश्यक है),
7. विघटन के चरण में हृदय की विफलता,
8. क्लॉस्ट्रोफ़ोबिया ( सीमित स्थानों का डर).

अध्ययन की तैयारी

शोध कैसे किया जाता है?

यह उपकरण एक चौड़ी ट्यूब है जिसमें रोगी को क्षैतिज स्थिति में रखा जाता है। रोगी को पूरी तरह से स्थिर रहना चाहिए, अन्यथा छवि पर्याप्त स्पष्ट नहीं होगी। पाइप के अंदर अंधेरा नहीं है और ताजा वेंटिलेशन है, इसलिए प्रक्रिया के लिए स्थितियां काफी आरामदायक हैं। कुछ इंस्टॉलेशन ध्यान देने योग्य गड़गड़ाहट उत्पन्न करते हैं, फिर जिस व्यक्ति की जांच की जा रही है वह शोर-अवशोषित हेडफ़ोन पहनता है।

परीक्षा की अवधि 15 मिनट से 60 मिनट तक हो सकती है।
कुछ चिकित्सा केंद्र किसी रिश्तेदार या उसके साथ आए व्यक्ति को उस कमरे में मरीज के साथ रहने की अनुमति देते हैं जहां अध्ययन किया जा रहा है ( यदि इसका कोई मतभेद नहीं है).

कुछ चिकित्सा केंद्रों में, एक एनेस्थेसियोलॉजिस्ट शामक दवाएं देता है। इस मामले में, प्रक्रिया को सहन करना बहुत आसान है, विशेष रूप से क्लौस्ट्रफ़ोबिया से पीड़ित रोगियों, छोटे बच्चों या ऐसे रोगियों के लिए, जिन्हें किसी कारण से स्थिर रहना मुश्किल लगता है। रोगी चिकित्सीय नींद की स्थिति में आ जाता है और आराम और स्फूर्ति से बाहर आता है। उपयोग की जाने वाली दवाएं शरीर से जल्दी समाप्त हो जाती हैं और रोगी के लिए सुरक्षित होती हैं।

प्रक्रिया समाप्त होने के 30 मिनट के भीतर परीक्षा परिणाम तैयार हो जाता है। परिणाम एक डीवीडी, डॉक्टर की रिपोर्ट और तस्वीरों के रूप में जारी किया जाता है।

एनएमआर में कंट्रास्ट एजेंट का उपयोग

कंट्रास्ट मीडिया के उपयोग में बाधाएँ:

• गर्भावस्था,
• कंट्रास्ट एजेंट के घटकों के प्रति व्यक्तिगत असहिष्णुता, पहले से पहचानी गई।

संवहनी परीक्षा (चुंबकीय अनुनाद एंजियोग्राफी)

संकेत:

• जन्मजात हृदय दोष,
• धमनीविस्फार, विच्छेदन,
• वेसल स्टेनोसिस,

मस्तिष्क अनुसंधान

• गर्दन की मुख्य वाहिकाएँ,
• मस्तिष्क को आपूर्ति करने वाली रक्त वाहिकाएँ
• मस्तिष्क के ऊतक,
• नेत्र सॉकेट की कक्षाएँ,
• मस्तिष्क के गहरे भाग ( सेरिबैलम, पीनियल ग्रंथि, पिट्यूटरी ग्रंथि, ऑबोंगटा और मध्यवर्ती खंड).

कार्यात्मक एनएमआर

रीढ़ की हड्डी की जांच

आप संपूर्ण रीढ़ की जांच कर सकते हैं, या आप केवल चिंता के क्षेत्र की जांच कर सकते हैं: ग्रीवा, वक्ष, लुंबोसैक्रल, और अलग से कोक्सीक्स भी। इस प्रकार, ग्रीवा रीढ़ की जांच करते समय, रक्त वाहिकाओं और कशेरुकाओं की विकृति का पता लगाया जा सकता है जो मस्तिष्क को रक्त की आपूर्ति को प्रभावित करते हैं।
काठ का क्षेत्र की जांच करते समय, इंटरवर्टेब्रल हर्निया, हड्डी और उपास्थि स्पाइक्स, साथ ही दबी हुई नसों का पता लगाया जा सकता है।

संकेत:

• हर्निया सहित इंटरवर्टेब्रल डिस्क के आकार में परिवर्तन,
• पीठ और रीढ़ की हड्डी में चोट
• ओस्टियोचोन्ड्रोसिस, हड्डियों में डिस्ट्रोफिक और सूजन प्रक्रियाएं,
• रसौली।

रीढ़ की हड्डी की जांच

संकेत:

• रीढ़ की हड्डी में रसौली, फोकल घावों की संभावना,
• मस्तिष्कमेरु द्रव से रीढ़ की हड्डी की गुहाओं के भरने को नियंत्रित करने के लिए,
• रीढ़ की हड्डी में सिस्ट,
• सर्जरी के बाद रिकवरी की निगरानी के लिए,
• अगर रीढ़ की हड्डी की बीमारी का खतरा हो.

संयुक्त परीक्षा

निदान के लिए उपयोग किया जाता है:

• जीर्ण गठिया,
• कण्डरा, मांसपेशियों और स्नायुबंधन की चोटें ( विशेष रूप से अक्सर खेल चिकित्सा में उपयोग किया जाता है),
• पेरेलोमोव,
• कोमल ऊतकों और हड्डियों के रसौली,
• अन्य निदान विधियों द्वारा क्षति का पता नहीं लगाया जा सका।

• ऑस्टियोमाइलाइटिस, ऊरु सिर के परिगलन, तनाव फ्रैक्चर, सेप्टिक गठिया, के लिए कूल्हे के जोड़ों की जांच
• तनाव फ्रैक्चर, कुछ आंतरिक घटकों की अखंडता के उल्लंघन के लिए घुटने के जोड़ों की जांच ( मेनिस्कस, उपास्थि),
• अव्यवस्थाओं, दबी हुई नसों, संयुक्त कैप्सूल के टूटने के लिए कंधे के जोड़ की जांच,
• अस्थिरता, एकाधिक फ्रैक्चर, मध्य तंत्रिका के फंसने और लिगामेंट क्षति के मामलों में कलाई के जोड़ की जांच।

टेम्पोरोमैंडिबुलर जोड़ की जांच

संकेत:

• निचले जबड़े की बिगड़ा हुआ गतिशीलता,
• मुंह खोलते और बंद करते समय क्लिक करने की आवाजें,
• मुंह खोलने और बंद करने पर कनपटी में दर्द,
• चबाने वाली मांसपेशियों को छूने पर दर्द,
• गर्दन और सिर की मांसपेशियों में दर्द होना।

उदर गुहा के आंतरिक अंगों की जांच

• गैर-संक्रामक पीलिया,
• सिरोसिस के साथ लीवर रसौली, अध:पतन, फोड़ा, सिस्ट की संभावना,
• उपचार की प्रगति की निगरानी करने के लिए,
• दर्दनाक टूटन के लिए,
• पित्ताशय या पित्त नलिकाओं में पथरी,
• किसी भी रूप का अग्नाशयशोथ,
• नियोप्लाज्म की संभावना,
• पैरेन्काइमल अंगों का इस्केमिया।

किडनी की जांच तब निर्धारित की जाती है जब:

• रसौली का संदेह,
• गुर्दे के पास स्थित अंगों और ऊतकों के रोग,
• मूत्र अंगों के निर्माण में व्यवधान की संभावना,
• यदि उत्सर्जन यूरोग्राफी करना असंभव है।

प्रजनन प्रणाली के रोगों के लिए अनुसंधान

• गर्भाशय, मूत्राशय, प्रोस्टेट में रसौली की संभावना,
• चोटें,
• मेटास्टेसिस का पता लगाने के लिए पेल्विक नियोप्लाज्म,
• त्रिक क्षेत्र में दर्द,
• वेसिकुलिटिस,
• लिम्फ नोड्स की स्थिति की जांच करना।

परीक्षण से एक घंटा पहले पेशाब करने की सलाह नहीं दी जाती है, क्योंकि यदि मूत्राशय कुछ भरा हुआ है तो छवि अधिक जानकारीपूर्ण होगी।

गर्भावस्था के दौरान अध्ययन करें

एहतियाती उपाय

2. उस कमरे में प्रवेश करना निषिद्ध है जहां उपकरण धातु की वस्तुओं और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ स्थित है ( जैसे घड़ियाँ, आभूषण, चाबियाँ), चूंकि एक शक्तिशाली विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरण टूट सकते हैं, और छोटी धातु की वस्तुएं उड़कर अलग हो जाएंगी। साथ ही, पूरी तरह से सही सर्वेक्षण डेटा प्राप्त नहीं किया जाएगा।

एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी एक गैर-विनाशकारी विश्लेषण पद्धति है। आधुनिक स्पंदित एनएमआर फूरियर स्पेक्ट्रोस्कोपी 80 मैग पर विश्लेषण की अनुमति देती है। कोर. एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी इनमें से एक प्रमुख है। भौतिक-रसायन. विश्लेषण के तरीकों में, इसके डेटा का उपयोग अंतराल के रूप में स्पष्ट पहचान के लिए किया जाता है। रासायनिक उत्पाद r-tions, और लक्ष्य इन-इन। संरचनात्मक असाइनमेंट और मात्रा के अलावा. विश्लेषण, एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी गठनात्मक संतुलन, ठोस पदार्थों में परमाणुओं और अणुओं के प्रसार, आंतरिक के बारे में जानकारी लाती है। गति, हाइड्रोजन बांड और तरल पदार्थों में जुड़ाव, कीटो-एनोल टॉटोमेरिज्म, मेटालो- और प्रोटोट्रॉपी, बहुलक श्रृंखलाओं में इकाइयों का क्रम और वितरण, पदार्थों का सोखना, आयनिक क्रिस्टल, तरल क्रिस्टल आदि की इलेक्ट्रॉनिक संरचना। एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी जानकारी का एक स्रोत है बायोपॉलिमर की संरचना पर, समाधान में प्रोटीन अणुओं सहित, एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण के डेटा की विश्वसनीयता में तुलनीय। 80 के दशक में जटिल रोगों के निदान और जनसंख्या की चिकित्सा जांच के लिए चिकित्सा में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी और टोमोग्राफी विधियों का तेजी से परिचय शुरू हुआ।
एनएमआर स्पेक्ट्रा में रेखाओं की संख्या और स्थिति स्पष्ट रूप से कच्चे तेल, सिंथेटिक के सभी अंशों की विशेषता बताती है। रबर, प्लास्टिक, शेल, कोयला, दवाइयाँ, औषधियाँ, रासायनिक उत्पाद। और फार्मास्युटिकल प्रोम-एसटीआई, आदि
पानी या तेल की एनएमआर लाइन की तीव्रता और चौड़ाई से बीजों की नमी और तेल की मात्रा और अनाज की सुरक्षा को सटीक रूप से मापना संभव हो जाता है। पानी के संकेतों से अलग होने पर, प्रत्येक अनाज में ग्लूटेन सामग्री को रिकॉर्ड करना संभव है, जो तेल सामग्री विश्लेषण की तरह, त्वरित कृषि चयन की अनुमति देता है। फसलें
तेजी से मजबूत चुम्बकों का उपयोग। फ़ील्ड (सीरियल उपकरणों में 14 टी तक और प्रयोगात्मक प्रतिष्ठानों में 19 टी तक) समाधान में प्रोटीन अणुओं की संरचना को पूरी तरह से निर्धारित करने की क्षमता प्रदान करता है, बायोल का व्यक्त विश्लेषण। तरल पदार्थ (रक्त, मूत्र, लसीका, मस्तिष्कमेरु द्रव में अंतर्जात चयापचयों की सांद्रता), नई बहुलक सामग्री का गुणवत्ता नियंत्रण। इस मामले में, मल्टीक्वांटम और मल्टीडायमेंशनल फूरियर स्पेक्ट्रोस्कोपी के कई वेरिएंट का उपयोग किया जाता है। तकनीकें.
एनएमआर परिघटना की खोज एफ. बलोच और ई. परसेल (1946) ने की थी, जिसके लिए उन्हें नोबेल पुरस्कार (1952) से सम्मानित किया गया था।

परमाणु चुंबकीय अनुनाद की घटना का उपयोग न केवल भौतिकी और रसायन विज्ञान में, बल्कि चिकित्सा में भी किया जा सकता है: मानव शरीर समान कार्बनिक और अकार्बनिक अणुओं का एक संग्रह है।
इस घटना का निरीक्षण करने के लिए, एक वस्तु को एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है और रेडियो आवृत्ति और क्रमिक चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में लाया जाता है। अध्ययन के तहत वस्तु के चारों ओर प्रारंभ करनेवाला कुंडल में, एक वैकल्पिक इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) उत्पन्न होता है, जिसके आयाम-आवृत्ति स्पेक्ट्रम और समय-क्षणिक विशेषताओं में गूंजने वाले परमाणु नाभिक के स्थानिक घनत्व के साथ-साथ केवल विशिष्ट अन्य मापदंडों के बारे में जानकारी होती है। नाभिकीय चुबकीय अनुनाद। इस जानकारी का कंप्यूटर प्रसंस्करण एक त्रि-आयामी छवि उत्पन्न करता है जो रासायनिक रूप से समतुल्य नाभिक के घनत्व, परमाणु चुंबकीय अनुनाद विश्राम समय, द्रव प्रवाह दर के वितरण, अणुओं के प्रसार और जीवित ऊतकों में जैव रासायनिक चयापचय प्रक्रियाओं की विशेषता बताता है।
एनएमआर इंट्रोस्कोपी (या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग) का सार, वास्तव में, परमाणु चुंबकीय अनुनाद संकेत के आयाम के एक विशेष प्रकार के मात्रात्मक विश्लेषण का कार्यान्वयन है। पारंपरिक एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी में, व्यक्ति वर्णक्रमीय रेखाओं का सर्वोत्तम संभव रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने का प्रयास करता है। इसे प्राप्त करने के लिए, चुंबकीय प्रणालियों को इस तरह से समायोजित किया जाता है ताकि नमूने के भीतर सर्वोत्तम संभव क्षेत्र एकरूपता बनाई जा सके। इसके विपरीत, एनएमआर इंट्रोस्कोपी विधियों में, निर्मित चुंबकीय क्षेत्र स्पष्ट रूप से गैर-समान होता है। फिर यह उम्मीद करने का कारण है कि नमूने के प्रत्येक बिंदु पर परमाणु चुंबकीय अनुनाद की आवृत्ति का अपना मूल्य है, जो अन्य भागों के मूल्यों से भिन्न है। एनएमआर सिग्नल (मॉनिटर स्क्रीन पर चमक या रंग) के आयाम के ग्रेडेशन के लिए कोई भी कोड सेट करके, आप ऑब्जेक्ट की आंतरिक संरचना के अनुभागों की एक पारंपरिक छवि (टोमोग्राम) प्राप्त कर सकते हैं।
एनएमआर इंट्रोस्कोपी और एनएमआर टोमोग्राफी का आविष्कार दुनिया में सबसे पहले 1960 में वी. ए. इवानोव ने किया था। एक अक्षम विशेषज्ञ ने एक आविष्कार (विधि और उपकरण) के लिए आवेदन को "... प्रस्तावित समाधान की स्पष्ट बेकारता के कारण" अस्वीकार कर दिया, इसलिए इसके लिए कॉपीराइट प्रमाणपत्र केवल 10 साल से अधिक समय बाद जारी किया गया था। इस प्रकार, यह आधिकारिक तौर पर मान्यता प्राप्त है कि एनएमआर टोमोग्राफी के लेखक नीचे सूचीबद्ध नोबेल पुरस्कार विजेताओं की टीम नहीं हैं, बल्कि एक रूसी वैज्ञानिक हैं। इस कानूनी तथ्य के बावजूद, एनएमआर टोमोग्राफी के लिए नोबेल पुरस्कार वी. ए. स्पेक्ट्रल उपकरणों को नहीं दिया गया

स्पेक्ट्रा के सटीक अध्ययन के लिए, प्रकाश किरण और प्रिज्म को सीमित करने वाली एक संकीर्ण भट्ठा जैसे सरल उपकरण अब पर्याप्त नहीं हैं। ऐसे उपकरणों की आवश्यकता होती है जो एक स्पष्ट स्पेक्ट्रम प्रदान करते हैं, यानी, ऐसे उपकरण जो अलग-अलग लंबाई की तरंगों को अच्छी तरह से अलग कर सकते हैं और स्पेक्ट्रम के अलग-अलग हिस्सों को ओवरलैप नहीं होने देते हैं। ऐसे उपकरणों को स्पेक्ट्रल उपकरण कहा जाता है। अक्सर, वर्णक्रमीय तंत्र का मुख्य भाग एक प्रिज्म या विवर्तन झंझरी होता है।

इलेक्ट्रॉनिक पैरामैग्नेटिक अनुनाद

विधि का सार

इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद की घटना का सार अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों द्वारा विद्युत चुम्बकीय विकिरण का गुंजयमान अवशोषण है। एक इलेक्ट्रॉन में एक स्पिन और एक संबद्ध चुंबकीय क्षण होता है।

यदि हम परिणामी कोणीय गति J के साथ एक मुक्त रेडिकल को B 0 शक्ति वाले चुंबकीय क्षेत्र में रखते हैं, तो J गैरशून्य के लिए, चुंबकीय क्षेत्र में विकृति दूर हो जाती है, और चुंबकीय क्षेत्र के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप, 2J+1 स्तर उत्पन्न होते हैं, जिनकी स्थिति अभिव्यक्ति द्वारा वर्णित है: W =gβB 0 M, (जहां M = +J, +J-1, …-J) और चुंबकीय क्षण के साथ चुंबकीय क्षेत्र की ज़ीमन इंटरैक्शन द्वारा निर्धारित किया जाता है जे. इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों का विभाजन चित्र में दिखाया गया है।

एक स्थिर (ए) और वैकल्पिक (बी) क्षेत्र में परमाणु स्पिन 1 के साथ एक परमाणु के लिए ऊर्जा स्तर और अनुमत संक्रमण।

यदि अब हम आवृत्ति ν के साथ एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर बी 0 के लंबवत विमान में ध्रुवीकृत, अनुचुंबकीय केंद्र पर लागू करते हैं, तो यह चुंबकीय द्विध्रुवीय संक्रमण का कारण बनेगा जो चयन नियम ΔM = 1 का पालन करता है। जब की ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण फोटोइलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंग की ऊर्जा के साथ मेल खाता है, एक गुंजयमान प्रतिक्रिया माइक्रोवेव विकिरण का अवशोषण होगी। इस प्रकार, अनुनाद स्थिति मौलिक चुंबकीय अनुनाद संबंध द्वारा निर्धारित होती है

यदि स्तरों के बीच जनसंख्या अंतर है तो माइक्रोवेव क्षेत्र ऊर्जा का अवशोषण देखा जाता है।

थर्मल संतुलन पर, ज़ीमन स्तरों की आबादी में एक छोटा सा अंतर होता है, जो बोल्ट्ज़मैन वितरण = exp(gβB 0 /kT) द्वारा निर्धारित होता है। ऐसी प्रणाली में, जब संक्रमण उत्तेजित होते हैं, तो ऊर्जा उपस्तरों की आबादी की समानता बहुत जल्दी होनी चाहिए और माइक्रोवेव क्षेत्र का अवशोषण गायब हो जाना चाहिए। हालाँकि, वास्तव में कई अलग-अलग इंटरैक्शन तंत्र हैं, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन गैर-विकिरणीय रूप से अपनी मूल स्थिति में चला जाता है। बढ़ती शक्ति के साथ निरंतर अवशोषण तीव्रता का प्रभाव इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है जिनके पास आराम करने का समय नहीं होता है, और इसे संतृप्ति कहा जाता है। संतृप्ति उच्च माइक्रोवेव विकिरण शक्ति पर प्रकट होती है और ईपीआर विधि द्वारा केंद्रों की एकाग्रता को मापने के परिणामों को महत्वपूर्ण रूप से विकृत कर सकती है।

विधि मान

ईपीआर विधि अनुचुंबकीय केंद्रों के बारे में अनूठी जानकारी प्रदान करती है। यह जाली में आइसोमोर्फिक रूप से शामिल अशुद्धता आयनों को सूक्ष्म समावेशन से स्पष्ट रूप से अलग करता है। इस मामले में, क्रिस्टल में दिए गए आयन के बारे में पूरी जानकारी प्राप्त की जाती है: वैलेंस, समन्वय, स्थानीय समरूपता, इलेक्ट्रॉनों का संकरण, इसमें इलेक्ट्रॉनों की कितनी और किस संरचनात्मक स्थिति शामिल है, क्रिस्टल क्षेत्र के अक्षों का अभिविन्यास इस आयन का स्थान, क्रिस्टल क्षेत्र की पूरी विशेषता और रासायनिक बंधन के बारे में विस्तृत जानकारी। और, जो बहुत महत्वपूर्ण है, वह विधि आपको विभिन्न संरचनाओं वाले क्रिस्टल के क्षेत्रों में पैरामैग्नेटिक केंद्रों की एकाग्रता निर्धारित करने की अनुमति देती है।

लेकिन ईपीआर स्पेक्ट्रम न केवल एक क्रिस्टल में एक आयन की विशेषता है, बल्कि क्रिस्टल की भी विशेषता है, एक क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉन घनत्व, क्रिस्टल क्षेत्र, आयनिकता-सहसंयोजकता के वितरण की विशेषताएं, और अंत में, बस एक नैदानिक ​​​​विशेषता है खनिज, चूँकि प्रत्येक खनिज में प्रत्येक आयन के अपने विशिष्ट पैरामीटर होते हैं। इस मामले में, पैरामैग्नेटिक सेंटर एक प्रकार की जांच है, जो इसके सूक्ष्म वातावरण की स्पेक्ट्रोस्कोपिक और संरचनात्मक विशेषताएं प्रदान करती है।

इस संपत्ति का उपयोग तथाकथित में किया जाता है। अध्ययन के तहत प्रणाली में एक स्थिर पैरामैग्नेटिक केंद्र की शुरूआत के आधार पर स्पिन लेबल और जांच की विधि। ऐसे पैरामैग्नेटिक सेंटर के रूप में, एक नियम के रूप में, एक नाइट्रोक्सिल रेडिकल का उपयोग किया जाता है, जो अनिसोट्रोपिक द्वारा विशेषता है जीऔर एटेंसर।

रसायन विज्ञान के गहन अध्ययन वाले स्कूलों के लिए

हाई स्कूल पाठ्यक्रमों में, कार्बनिक रसायन विज्ञान का अध्ययन पदार्थों के वर्ग द्वारा किया जाता है। सबसे पहले, हम हाइड्रोकार्बन सी ए एच बी - संतृप्त (रैखिक और चक्रीय) और असंतृप्त (सुगंधित सहित) पर विचार करते हैं। फिर ऑक्सीजन O को दो प्रकार के C और H के परमाणुओं में जोड़ा जाता है। ऑक्सीजन युक्त यौगिक C A H B O C अल्कोहल ROH, ईथर R-O-R, फिनोल ArOH, एल्डिहाइड RCHO, कार्बोक्जिलिक एसिड RCOOH, कार्बोक्जिलिक एसिड के कुछ व्युत्पन्न - एस्टर RCOOR हैं। , वसा - ग्लिसरॉल एस्टर, कार्बोहाइड्रेट (पॉलीहाइड्रॉक्सील्डिहाइड)। बाद में (11वीं कक्षा का कार्यक्रम) नाइट्रोजन परमाणु एन कार्बनिक यौगिकों की संरचना में दिखाई देता है, नाइट्रोजन यौगिकों के अणुओं में तीन तत्वों के परमाणु होते हैं - सी, एच और एन (एमाइन सी ए एच बी एन सी) - या। चार - सी, एच, एन और ओ (एमाइड्स, अमीनो एसिड, प्रोटीन; सामान्य सूत्र सी ए एच बी एन सी ओ डी)। "न्यूक्लिक एसिड" विषय में पाइरीमिडीन और प्यूरीन नाइट्रोजन युक्त हेटरोसायकल का उल्लेख है हैलोजन-, सल्फो-। , नाइट्रो यौगिकों को अलग से वर्ग के रूप में नहीं माना जाता है।

प्रत्येक वर्ग के पदार्थों के अध्ययन की योजना एक योजना के अनुसार बनाई गई है:

1) संरचना (अणु में कौन से परमाणु शामिल हैं और प्रत्येक प्रकार के कितने);
2) संरचना (ये परमाणु कैसे जुड़े हैं, समावयवता);
3) गुण (भौतिक - पिघलने और क्वथनांक, घनत्व, घुलनशीलता, आदि; रासायनिक - प्रारंभिक पदार्थ की संरचना या संरचना में परिवर्तन के साथ विभिन्न परिवर्तन);
4) उत्पादन (प्राकृतिक कच्चा माल - यह पदार्थ कहाँ और किस रूप में पाया जाता है; किन रासायनिक तरीकों से इसे अन्य पदार्थों से प्राप्त किया जा सकता है);
5) अनुप्रयोग (प्रकृति और मनुष्य द्वारा इसका उपयोग कैसे किया जाता है);
6) पहले पांच बिंदुओं को समेकित करने का कार्य।

हम अपनाई गई योजना को थोड़ा पूरक करने का प्रस्ताव करते हैं। पदार्थों की पहचान करने और उनकी संरचना और संरचना की पुष्टि करने के लिए, स्पेक्ट्रोस्कोपी विधि - प्रोटॉन चुंबकीय अनुनाद (पीएमआर) का उपयोग करना सुविधाजनक है। मुद्दे के सिद्धांत को समाचार पत्र "केमिस्ट्री", संख्या 29/1998 और पत्रिका "केमिस्ट्री एट स्कूल", संख्या 2/1999 में संक्षेप में रेखांकित किया गया है। सबसे सरल पीएमआर स्पेक्ट्रा को समझने का तरीका जानने के लिए, आपको उनकी निम्नलिखित विशेषताओं या विशेषताओं की समझ होनी चाहिए।

पीएमआर स्पेक्ट्रम चित्र में शिखर पदार्थ के प्रोटॉन द्वारा बाहरी लागू चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा के अवशोषण के संकेत हैं।

सिग्नल समूहों की संख्या इंगित करती है कि अणु में विभिन्न प्रकार के कितने प्रोटॉन हैं। रासायनिक रूप से समतुल्य प्रोटॉन (समान वातावरण के साथ) स्पेक्ट्रम के एक ही क्षेत्र में ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। उदाहरण के लिए, 3-क्लोरोपेंटेन के पीएमआर स्पेक्ट्रम में

समतुल्य प्रोटॉन के तीन समूहों से संकेतों के तीन सेट हैं:

रासायनिक बदलाव (डी) प्रोटॉन के रासायनिक वातावरण के आधार पर पैमाने पर स्पेक्ट्रम सिग्नल का बदलाव है। इलेक्ट्रॉन-स्वीकर्ता परमाणु और अवशोषित प्रोटॉन के पास परमाणुओं के समूह (एक या दो रासायनिक बंधों के माध्यम से) अवशोषण को कमजोर क्षेत्र क्षेत्र (बड़े डी मान) में स्थानांतरित कर देते हैं। टेट्रामिथाइलसिलेन (सीएच 3) 4 सी (टीएमएस) का उपयोग एक मानक के रूप में किया जाता है जिसके विरुद्ध रासायनिक बदलाव मापा जाता है। परीक्षण पदार्थ के पीएमआर सिग्नल टीएमएस सिग्नल के बाईं ओर स्पेक्ट्रम में दिखाई देते हैं।

रासायनिक बदलाव के मान विशेष इकाइयों - पार्ट्स प्रति मिलियन (पीपीएम) में व्यक्त किए जाते हैं। रासायनिक शिफ्ट स्केल, या डी-स्केल पर, टीएमएस सिग्नल का स्थान 0 पीपीएम के रूप में लिया जाता है और स्केल के दाईं ओर निर्दिष्ट किया जाता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 1. d के अपेक्षाकृत बड़े मान कमजोर चुंबकीय क्षेत्र के क्षेत्र के अनुरूप होते हैं, और इसके विपरीत, इस मान के छोटे मान मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के क्षेत्र के अनुरूप होते हैं।

चावल। 1. 1,2-डाइक्लोरोइथेन का पीएमआर स्पेक्ट्रम

सिग्नल शिखर का क्षेत्र (रिकॉर्डर द्वारा उल्लिखित) - सिग्नल की तीव्रता - अणु में प्रत्येक प्रकार के प्रोटॉन की सापेक्ष प्रचुरता को दर्शाता है।

सिग्नल को कई चोटियों में विभाजित करना अन्य असमान प्रोटॉन (विभिन्न वातावरणों के साथ) या विषम द्रव्यमान संख्याओं (19 एफ, 31 पी, आदि) के साथ कुछ अन्य नाभिकों के साथ प्रश्न में प्रोटॉन की बातचीत को इंगित करता है।

ऐसी संदर्भ तालिकाएँ हैं जो विभिन्न प्रकार के प्रोटॉन के रासायनिक बदलाव की सीमा को दर्शाती हैं। उनका उपयोग करके, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि स्पेक्ट्रम के किस क्षेत्र में एक विशेष प्रोटॉन एक संकेत (तालिका) देता है।

विभिन्न प्रकार के प्रोटॉन का रासायनिक परिवर्तन
पीएमआर स्पेक्ट्रा में

*नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के साथ संयुक्त प्रोटॉन का रासायनिक बदलाव समाधान के तापमान और एकाग्रता पर निर्भर करता है।

अक्सर पीएमआर स्पेक्ट्रा में समतुल्य प्रोटॉन से संकेत एक अलग शिखर (सिंगलेट) के रूप में नहीं, बल्कि उनके एक सेट के रूप में दिखाई देते हैं। सिग्नल को दो (डबल), तीन (ट्रिपलेट), चार (क्वार्टेट) या अधिक चोटियों में विभाजित किया जा सकता है। संकेतों का यह विभाजन गैर-समतुल्य हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) की परस्पर क्रिया के कारण होता है। यह एक स्पिन-स्पिन इंटरैक्शन है जो परमाणुओं के नाभिक को जोड़ने वाले रासायनिक बांड के इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से होता है।

शिखरों की वह संख्या जिसमें समतुल्य प्रोटॉनों से संकेत विभाजित होता है, बहुलता कहलाती है। साधारण मामलों में, नियम का उपयोग किया जाता है: समकक्ष प्रोटॉन से सिग्नल की बहुलता n + 1 के बराबर होती है, जहां n पड़ोसी कार्बन परमाणुओं पर स्थित प्रोटॉन की संख्या है। H-C-C-H प्रकार के ऐसे प्रोटॉन, जो तीन बंधों से अलग होते हैं, विसिनल प्रोटॉन कहलाते हैं। सिग्नल बहुलता के आधार पर, कोई किसी विशेष सिग्नल के लिए जिम्मेदार प्रोटॉन के प्रति संवेदनशील प्रोटॉन की संख्या का अनुमान लगा सकता है।

उदाहरण 1. 1,1,2-ट्राइक्लोरोइथेन सीएल 2 सीएच-सीएच 2 सीएल में दो प्रकार के प्रोटॉन होते हैं - मेथिलीन (-सीएच 2 सीएल समूह में) और मिथाइन (-सीएचसीएल 2 समूह में), जो स्पेक्ट्रम में विशेषता रखते हैं। दो संकेतों द्वारा: डी (सीएच 2 सीएल) = 3.5 पीपीएम और डी (सीएचसीएल 2) = 5.5 पीपीएम, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 2. -CH 2 सीएल के सिग्नल में दो शिखर (डबल) होते हैं, -CHCl 2 के सिग्नल में तीन शिखर (ट्रिप्लेट) होते हैं। आइए नियम का उपयोग करें: सिग्नल बहुलता n + 1 है, जहां n विसिनल प्रोटॉन की संख्या है।

चावल। 2. 1,1,2-ट्राइक्लोरोइथेन का पीएमआर स्पेक्ट्रम

उदाहरण 2. चित्र में. चित्र 3 1,1-डाइक्लोरोइथेन का पीएमआर स्पेक्ट्रम दिखाता है। स्पेक्ट्रम में मिथाइल प्रोटॉन को d = 2.0m पर केन्द्रित एक दोहरे द्वारा चित्रित किया जाता है। डी., मेथिन प्रोटॉन डी = 5.9 पीपीएम पर केन्द्रित एक चौकड़ी देता है।

चावल। 3. 1,1-डाइक्लोरोइथेन का पीएमआर स्पेक्ट्रम

स्पिन-स्पिन इंटरैक्शन की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि समान रासायनिक बदलाव (समतुल्य प्रोटॉन) वाले प्रोटॉन एक दूसरे से संकेतों को विभाजित नहीं करते हैं, जैसा कि निम्नलिखित उदाहरणों से पता चलता है।

उदाहरण 3. 1,2-डाइक्लोरोइथेन सीएलसीएच 2 सीएच 2 सीएल में सभी प्रोटॉन समतुल्य हैं, स्पेक्ट्रम में सिंगलेट के रूप में एक सिग्नल होगा। रासायनिक बदलाव मान d (CH2Cl) = 3.69 पीपीएम (चित्र 1 देखें)।

उदाहरण 4. पदार्थ 2,3-डाइमिथाइलब्यूटेन (सीएच 3) 2 सीएचसीएच (सीएच 3) 2 में दो आइसोप्रोपिल समूह होते हैं। चार सीएच 3 समूहों के समतुल्य प्रोटॉन के संकेतों को मिथाइन समूहों के प्रोटॉन द्वारा एक दोहरे में विभाजित किया जाता है। बदले में, मिथाइल प्रोटॉन के सिग्नल को मिथाइल समूहों के छह विसिनल प्रोटॉन द्वारा एक हेप्टेट (छवि 4) में विभाजित किया जाता है।

चावल। 4. 2,3-डाइमिथाइलब्यूटेन का पीएमआर स्पेक्ट्रम

पीएमआर स्पेक्ट्रा का उपयोग करके, पदार्थों के आइसोमर्स (समान आणविक सूत्र वाले) के बीच अंतर करना संभव है। उदाहरण के लिए, 1,1-डाइक्लोरोइथेन (चित्र 3 देखें) और 1,2-डाइक्लोरोइथेन (चित्र 1 देखें) के आइसोमर्स के स्पेक्ट्रा पूरी तरह से अलग हैं।

उदाहरण 5. 1,1,2-ट्राइक्लोरोइथेन (चित्र 2 देखें) से संबंधित सी 2 एच 3 सीएल 3 संरचना वाले पदार्थ के स्पेक्ट्रम में दो सिग्नल होते हैं: डी (सीएच 2 सीएल) = 3.5 पीपीएम (डबल) और डी (सीएचसीएल 2) = 5.5 पीपीएम (ट्रिपलेट)। इसके आइसोमेरिक 1,1,1-ट्राइक्लोरोइथेन के स्पेक्ट्रम में मिथाइल समूह डी (सीएच 3) = 2.7 पीपीएम के समतुल्य प्रोटॉन से एक सिंगलेट होता है।

इसलिए, पीएमआर स्पेक्ट्रा किसी पदार्थ की संरचना और संरचना के बारे में बहुत स्पष्ट और जानकारीपूर्ण जानकारी प्रदान करता है। वे सार्वभौमिक हैं - कार्बनिक यौगिकों के सभी वर्गों पर लागू होते हैं। स्पेक्ट्रा को समझना सीखना उतना मुश्किल नहीं है, और उन्हें हल करना सॉलिटेयर खेलने से ज्यादा मजेदार है। यहां एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके विशिष्ट कार्य दिए गए हैं।

• कार्य 1. निम्नलिखित अल्कोहल को उनके पीएमआर स्पेक्ट्रा द्वारा पहचानें:

ए) यौगिक ए - सी 14 एच 14 ओ (चित्र 5) और यौगिक बी - सी 9 एच 11 बीआरओ (चित्र 6)।

चावल। 5. यौगिक ए (सी 14 एच 14 ओ) का पीएमआर स्पेक्ट्रम

ए) समाधान की कुंजी 10 एन के अनुरूप तीव्रता के साथ सुगंधित प्रोटॉन डी = 7.2-7.4 पीपीएम के रासायनिक बदलाव के साथ एक संकेत द्वारा दी गई है (चित्र 5 देखें)। पदार्थ A के एक अणु में निहित दो फिनाइल समूह C 6 H 5 स्पेक्ट्रम में इस संकेत के लिए जिम्मेदार हैं। d = 2.27 पीपीएम पर सिंगलेट हाइड्रॉक्सिल समूह के प्रोटॉन के कारण होता है, और अल्कोहल कार्बन में अन्य पदार्थ C होते हैं। 6 एच 5 समूह (दो) और सीएच 3 (डी = 1.89 पीपीएम, सिंगलेट, 3 एच पर केंद्रित संकेत)। वांछित पदार्थ A 1,1-डाइफेनिलएथेनॉल-1 है

(सी 6 एच 5) 2 सीसीएच 3.
ओह

बी) पदार्थ बी में एक अप्रतिस्थापित बेंजीन रिंग होती है, जैसा कि सिग्नल डी = 6.90-7.45 पीपीएम (चौकड़ी, 4 एच) से प्रमाणित होता है।

चावल। 6. यौगिक बी का पीएमआर स्पेक्ट्रम (सी 9 एच 11 बीआरओ)

रासायनिक बदलाव डी = 0.82 पीपीएम (ट्रिपलेट, 3 एच) और डी = 1.60 पीपीएम (चौकड़ी, 2 एच), इन संकेतों की तीव्रता एथिल समूह सीएच 3 सीएच 2 निर्धारित करती है। डी = 2.75 पीपीएम (सिंगललेट, 1 एच) पर सिग्नल हाइड्रॉक्सिल प्रोटॉन ओएच से मेल खाता है; डी = 4.40 पीपीएम (ट्रिपलेट, 1 एच) पर सिग्नल मेथिलीन समूह (सीएचसीएच 2) से सटे मिथाइन प्रोटॉन से संबंधित है। इसके अलावा, एक कमजोर क्षेत्र में सिग्नल की उपस्थिति हाइड्रॉक्सिल समूह के साथ सीएच के संबंध को इंगित करती है।

यह बेंजीन रिंग में ब्रोमीन परमाणु की स्थिति निर्धारित करने के लिए बनी हुई है। यह ज्ञात है कि एक सममित चौकड़ी (4 एच) के रूप में संकेत एन-प्रतिस्थापित बेंजीन रिंग की विशेषता है।

परिणामस्वरूप, संरचनात्मक सूत्र प्राप्त हुआ

वांछित पदार्थ को 1-(4"-ब्रोमोफेनिल)प्रोपेनॉल-1 कहा जाता है।

• समस्या 2. डायोल सी 8 एच 18 ओ 2 आवधिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है, इसके पीएमआर स्पेक्ट्रम में (पीपीएम) डी = 1.2 (12 एच), डी = 1.6 (4 एच) और डी = 2.0 (2 एच) पर तीन एकल होते हैं। . डायोल की संरचना क्या है?

यदि डायोल आवधिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है, तो इसका मतलब है कि हाइड्रॉक्सिल समूहों वाले कार्बन परमाणु कम से कम एक मिथाइलीन समूह द्वारा अलग हो जाते हैं। एकल के रूप में सभी संकेतों की उपस्थिति इंगित करती है कि कार्बन श्रृंखला में प्रोटॉन युक्त कार्बन परमाणु एप्रोटिक कार्बन के साथ वैकल्पिक होते हैं।

डी = 1.2 (12 एच) पर संकेत चार समतुल्य किनारे सीएच 3 समूहों के प्रोटॉन से आता है; डी = 2.0 (2 एच) पर सिग्नल - डायोल के दो हाइड्रॉक्सिल प्रोटॉन से; डी = 1.6 (4 एच) पर सिग्नल दो समकक्ष मेथिलीन समूहों से है (पड़ोसी प्रोटॉन पर सिग्नल का कोई विभाजन नहीं है!)। दिए गए पदार्थ की संरचना है

और इसे 2,5-डाइमिथाइलहेक्सानेडियोल-2,5 कहा जाता है।

• कार्य 3. आणविक सूत्र C 5 H 12 O के साथ आइसोमेरिक एस्टर के पीएमआर स्पेक्ट्रा के संबंध में निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर दें।

ए) किस ईथर में पीएमआर स्पेक्ट्रम में केवल सिंगलेट्स होते हैं?
बी) अन्य संकेतों के बीच, किसी दिए गए ईथर में एक डबल-हेप्टेट इंटरैक्शन सिस्टम होता है। ईथर का नाम बताएं.
ग) अन्य संकेतों के साथ, इस ईथर के पीएमआर स्पेक्ट्रम में अपेक्षाकृत कमजोर क्षेत्र में दो सिग्नल होते हैं, एक सिंगलेट है, दूसरा डबलेट है। इस ईथर की संरचना क्या है?
घ) स्पेक्ट्रम की एक विशेषता अपेक्षाकृत कमजोर क्षेत्र में दो सिग्नल हैं: एक त्रिक है, दूसरा चौकड़ी है। ईथर का नाम बताएं.

ए) टर्ट-ब्यूटाइल मिथाइल ईथर (सीएच 3) 3 सीओसीएच 3।
बी) आइसोप्रोपिल एथिल ईथर (सीएच 3) 2 सीएचओसीएच 2 सीएच 3, क्योंकि डबल-हेप्टेट इंटरैक्शन सिस्टम में एक पृथक आइसोप्रोपिल समूह होता है।
ग) अपेक्षाकृत कमजोर क्षेत्र में, प्रोटॉन ईथर कार्बन परमाणुओं पर दिखाई देते हैं। परंपरा के अनुसार, एक सिग्नल सिंगलेट होता है, यह सीएच 3 ओ है। आणविक सूत्र सी 5 एच 12 ओ वाले पदार्थ के लिए, स्पेक्ट्रम में डबल ओसीएच 2 सीएच समूह से संबंधित है।
पदार्थ आइसोबुटिल मिथाइल ईथर (सीएच 3) 2 सीएचएच 2 ओसीएच 3 है।
डी) उदाहरण सी के समान), ईथर ऑक्सीजन से सीधे जुड़े कार्बन परमाणुओं पर प्रोटॉन से संकेतों की विशिष्टता का संकेत दिया गया है। ट्रिपलेट और चौकड़ी सिग्नल क्रमशः सीएच 2 और सीएच 3 समूहों से सटे प्रोटॉन द्वारा निर्मित होते हैं।
पदार्थ एन-प्रोपाइलथाइल ईथर सीएच 3 सीएच 2 ओसीएच 2 सीएच 2 सीएच 3 है।

• समस्या 4. पदार्थ ए - सी 8 एच 8 ओ - के पीएमआर स्पेक्ट्रम में डी = 5.1 पीपीएम (तीव्र) और डी = 7.2 पीपीएम (व्यापक) पर समान तीव्रता के दो एकल शामिल हैं।

जब अतिरिक्त हाइड्रोजन ब्रोमाइड के साथ उपचार किया जाता है, तो यौगिक ए डाइब्रोमाइड सी 8 एच 8 बीआर 2 (व्यक्तिगत यौगिक बी, एक आइसोमर) में परिवर्तित हो जाता है। डाइब्रोमाइड का एनएमआर स्पेक्ट्रम पदार्थ ए के स्पेक्ट्रम के समान है; यह डी = 4.7 पीपीएम (तेज) और डी = 7.3 पीपीएम (व्यापक) पर दो समकक्ष (क्षेत्र में) एकल प्रदर्शित करता है।

यौगिक ए और इसके डाइब्रोमो व्युत्पन्न बी के संभावित संरचनात्मक सूत्र सुझाएं।

पदार्थ ए - सी 8 एच 8 ओ - की संरचना में एक बेंजीन रिंग (डी = 7.2 पीपीएम) और -एच 2 सी-ओ-सीएच 2 - प्रकार के ईथर बंधन के साथ दो समकक्ष समूह शामिल हैं। ध्यान दें कि फेनिलएसिटाल्डिहाइड सी 6 एच 5 सीएच 2 सीएचओ समस्या की शर्तों को पूरा नहीं करता है, यह पीएमआर स्पेक्ट्रम में तीन सिग्नल देता है; इसी कारण से, टोल्यूनि एल्डिहाइड सीएच 3 सी 6 एच 4 सीएचओ, स्टाइरीन ऑक्साइड, 2,3-डायहाइड्रोबेंजोफ्यूरन

एसिटोफेनोन सी 6 एच 5 सी(ओ)सीएच 3 को तीन कारणों से अस्वीकार कर दिया गया है: पहला, यह एचबीआर नहीं जोड़ता है; दूसरा एसिटाइल समूह डी" 2.1 पीपीएम के प्रोटॉन का रासायनिक बदलाव है, और स्थिति में डी = 5.1 पीपीएम; तीसरा "समान तीव्रता" का एकल है, जबकि एसिटोफेनोन में उनका अनुपात 5:3 है।

संभवतः, एन्क्रिप्टेड पदार्थ ए को प्रस्तावित सूत्रों में से एक द्वारा वर्णित किया जा सकता है: ओ-ज़ाइलीन ऑक्साइड या एन-ज़ाइलीन ऑक्साइड ये यौगिक हाइड्रोजन ब्रोमाइड के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे पदार्थ बी - डाइब्रोमाइड बनता है:

• समस्या 5. यौगिक C 10 H 13 BrО का PMR स्पेक्ट्रम चित्र में दिखाया गया है। 7. HBr के साथ गर्म करने पर, यह यौगिक दो प्रतिक्रिया उत्पाद बनाता है: बेंजाइल ब्रोमाइड C 6 H 5 CH 2 Br और डाइब्रोमोप्रोपेन C 3 H 6 Br 2। स्रोत कनेक्शन निर्धारित करें.

चावल। 7. यौगिक C 10 H 13 BrО का PMR स्पेक्ट्रम। (बाएं से दाएं शिखर पर संख्याएं संकेतों की एकीकृत तीव्रता को दर्शाती हैं, जो 5:2:2:2:2 के बराबर है। डी = 3.5 पीपीएम और डी = 3.6 पीपीएम पर सिग्नल दो त्रिक का प्रतिनिधित्व करते हैं।)

समस्या स्थितियों का विश्लेषण: यौगिक में गैर-समतुल्य प्रोटॉन वाले चार सीएच 2 समूह होते हैं, जो पीएमआर स्पेक्ट्रम के विभिन्न क्षेत्रों में दिखाई देते हैं, जो संरचनात्मक सूत्र सी 6 एच 5 सीएच 2 ओसीएच 2 सीएच 2 सीएच 2 बीआर - बेंजाइल -3 की ओर ले जाता है। -ब्रोमोप्रोपाइल ईथर. प्रसारण संकेतों का प्रस्तावित असाइनमेंट:

HBr के साथ ईथर की प्रतिक्रिया:

• समस्या 6. आणविक सूत्र C 4 H 8 O वाले एक यौगिक में कार्बोनिल समूह होता है। चित्र में दिखाए गए एनएमआर स्पेक्ट्रम के आधार पर यौगिक की पहचान करें। 8.

चावल। 8. यौगिक सी 4 एच 8 ओ का एनएमआर स्पेक्ट्रम। (डी = 2.4 पीपीएम पर सिग्नल दो प्रोटॉन से आता है और ट्रिपलेट का एक अविभाज्य डबलेट है। डी = 9.8 पीपीएम के साथ सिग्नल में सिंगल-प्रोटॉन ट्रिपलेट का रूप होता है एक शिखर में विलीन होने वाली रेखाओं के बीच बहुत छोटी दूरी।)

रासायनिक बदलाव d =9.8 पीपीएम एल्डिहाइड समूह -CHO निर्धारित करता है। अन्य तीन संकेत अभिन्न तीव्रता और बहुलता के संदर्भ में एन-ब्यूटानल के अनुरूप हैं:

ध्यान दें कि सीएच 3 सीएच 2-सीएच 2-सीएचओ एल्डिहाइड के ए-मेथिलीन प्रोटॉन से संकेत सीएच 2 समूह के पड़ोसी प्रोटॉन पर एक ट्रिपलेट में विभाजित होता है। एल्डिहाइड प्रोटॉन चित्र को दोगुना कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप दो त्रिक एक त्रिक में विलीन हो जाते हैं।

• समस्या 7. यौगिक C 7 H 14 O में कार्बोनिल समूह होता है। इसके एनएमआर स्पेक्ट्रम में क्रमशः 1.0, 2.1 और 2.3 पीपीएम के बराबर डी के साथ 9: 3: 2 के अनुपात में तीन एकल होते हैं।

विचाराधीन यौगिक एक कीटोन है (एक एल्डिहाइड सीएचओ प्रोटॉन से 10 पीपीएम का विज्ञापन संकेत देगा)। कार्बोनिल समूह से जुड़े हैं: मिथाइल-सीएच 3, डी = 2.1 पीपीएम और मेथिलीन -सीएच 2, डी = 2.3 पीपीएम। शेष नौ प्रोटॉन टर्ट-ब्यूटाइल समूह (सीएच 3) 3 सी- से संबंधित हैं। प्रत्येक प्रकार के प्रोटॉन पृथक होते हैं (पड़ोसी सी-एच प्रोटॉन नहीं होते हैं) और एकल के रूप में दिखाई देते हैं।

इस प्रकार, यह मिथाइल नियोपेंटाइल कीटोन (4,4-डाइमिथाइलपेंटनोन-2) है

• समस्या 8. यौगिक ए और बी सूत्र सी 6 एच 10 ओ 2 के आइसोमेरिक डाइकेटोन हैं। कंपाउंड ए के एनएमआर स्पेक्ट्रम को दो एकल संकेतों द्वारा डी = 2.2 पीपीएम (6 एच) और 2.8 पीपीएम (4 एच) पर दर्शाया गया है। यौगिक बी के पीएमआर स्पेक्ट्रम को दो संकेतों द्वारा डी = 1.3 पीपीएम (ट्रिपलेट, 6 एच) और डी = 2.8 पीपीएम (चौकड़ी, 4 एच) पर भी दर्शाया जाता है। यौगिक A और B की संरचना क्या है?

पदार्थ ए के लिए, एक सममित संरचना ग्रहण करना स्वाभाविक है, जहां प्रत्येक कार्बन ले जाने वाला प्रोटॉन एक एप्रोटिक कार्बन से जुड़ा होता है: सीएच 3 सी (ओ) सीएच 2 सीएच 2 सी (ओ) सीएच 3 एसिटोनीलेसिटोन (हेक्सानेडियोन-2.5) है। दो बंधित मेथिलीन समूहों के प्रोटॉन समतुल्य हैं।

पदार्थ बी को दो एथिल समूहों (ट्रिपलेट-क्वार्टेट प्रकार की बातचीत) की उपस्थिति की विशेषता है, इसलिए इसका सूत्र सीएच 3 सीएच 2 सी (ओ) सी (ओ) सीएच 2 सीएच 3 है। यह हेक्सानेडायोन-3,4 है। आइए हम विभिन्न प्रकार के प्रोटॉन की रासायनिक शिफ्ट निर्दिष्ट करें:

• समस्या 9. जब ब्यूटेनोन-2 (1 मोल) को जलीय अम्ल एचबीआर में आणविक ब्रोमीन बीआर 2 (2 मोल) के साथ उपचारित किया जाता है, तो पदार्थ सी 4 एच 6 बीआर 2 ओ बनता है। इस प्रतिक्रिया उत्पाद का पीएमआर स्पेक्ट्रम संकेतों द्वारा विशेषता है डी = 1.9 पीपीएम (डबल, 3 एच), 4.6 पीपीएम (सिंगलेट, 2 एच) और 5.2 पीपीएम (चौकड़ी, 1 एच) पर। इस संबंध को परिभाषित करें.

बुटानोन- एक C-H अम्ल है। कार्बोनिल समूह इलेक्ट्रॉन घनत्व को अवशोषित करता है, और ए-स्थिति k में प्रोटॉन अम्लीय हो जाते हैं (C-H बांड सबसे कम मजबूत होते हैं) ).

आइए हम संभावित संरचनाओं के गठन को लिखें - ब्रोमीन परमाणुओं के साथ दो हाइड्रोजन को बदलने का परिणाम: Br 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) और СH 3 C( O)СBr 2 СН 3 ( 3). संकेतों की संख्या, उनके रासायनिक बदलाव, अभिन्न तीव्रता और बहुलता के संदर्भ में, संरचना (2) प्रयोगात्मक डेटा (स्पेक्ट्रम) को संतुष्ट करती है:

• समस्या 10. जब 3-मिथाइलबुटानोन-2 का ब्रोमिनेशन होता है, तो दो यौगिक बनते हैं (आइसोमर ए और बी), प्रत्येक का आणविक सूत्र C 5 H 9 BrO और 95:5 के अनुपात में होता है। मुख्य आइसोमर ए के एनएमआर स्पेक्ट्रम में डी = 1.2 पीपीएम (6 एच) पर एक डबललेट, डी = 3.0 पीपीएम (1 एच) पर एक हेप्टेट और डी = 4.1 पीपीएम (2 एन) पर एक सिंगलेट होता है। माइनर आइसोमर बी का एनएमआर स्पेक्ट्रम (अशुद्धता के रूप में) दो सिंगललेट्स द्वारा डी = 1.9 पीपीएम और डी = 2.5 पीपीएम पर व्यक्त किया जाता है। डी = 2.5 पीपीएम पर सिंगलेट डी = 1.9 पीपीएम पर पीक एरिया सिंगलेट का आधा है इन दोनों यौगिकों के संरचनात्मक सूत्र।

3-मिथाइलबुटानोन-2 का ब्रोमिनेशन कार्बोनिल समूह की ए-स्थिति में होता है:

• समस्या 11. फॉर्मिक एसिड HOOCH, मैलिक सिस-HOOCCH=CHCOOH और मैलोनिक एसिड HOOCCH 2 COOH का एनएमआर स्पेक्ट्रा दिलचस्प है क्योंकि प्रत्येक में समान तीव्रता के दो सिंगलेट होते हैं। आइए हम इन यौगिकों के स्पेक्ट्रा को इस प्रकार निर्दिष्ट करें:

स्पेक्ट्रम ए: डी =3.2 और डी =12.1 पीपीएम;
स्पेक्ट्रम बी: डी =6.3 और डी =12.4 पीपीएम;
स्पेक्ट्रम बी: डी = 8.0 और डी = 11.4 पीपीएम।

निर्धारित करें कि कौन सा स्पेक्ट्रम प्रत्येक एसिड से मेल खाता है।

रासायनिक बदलाव d = 11-12.5 पीपीएम के क्षेत्र में, कार्बोक्सिल समूह -COOH के प्रोटॉन दिखाई देते हैं। प्रत्येक पदार्थ के लिए अलग-अलग विशेषता मान d = 3.2–8.0 पीपीएम होंगे, यानी एक मजबूत क्षेत्र में। मैलोनिक और मैलिक एसिड में, कार्बोक्सिल समूहों के बीच स्थित आंतरिक कार्बन परमाणु एलिफैटिक होते हैं (केवल सी और एच परमाणुओं से बंधे होते हैं)।

इसके विपरीत, फॉर्मिक एसिड में अणु में एकमात्र कार्बन कार्बोक्सिल (या कार्बोनिल) होता है, इसलिए इससे जुड़ा H-COCH प्रोटॉन एक कमजोर क्षेत्र, d = 8 पीपीएम में दिखाई देता है।

मैलिक एसिड की कार्बन श्रृंखला में एक दोहरे बंधन की उपस्थिति -CH2 - मैलोनिक एसिड के लिए d = 3.2 पीपीएम की तुलना में -CH = CH- प्रोटॉन से d = 6.3 पीपीएम पर बदलाव का कारण बनती है।

तो, स्पेक्ट्रम ए मैलोनिक एसिड से संबंधित है, स्पेक्ट्रम बी मैलिक एसिड से, स्पेक्ट्रम सी फॉर्मिक एसिड से संबंधित है।

• समस्या 12. यौगिक A और B आणविक सूत्र C4H8O3 वाले समावयवी हैं। ए और बी को उनके पीएमआर स्पेक्ट्रा से पहचानें।

यौगिक ए: डी = 1.3 पीपीएम (ट्रिपलेट, 3 एच); 3.6 पीपीएम (चौकड़ी, 2 एन); 4.1 पीपीएम (सिंगललेट, 2 एच); 11.1 पीपीएम (सिंगललेट, 1 एच)।
यौगिक बी: डी 2.6 पीपीएम (ट्रिपलेट, 2 एच) है; 3.4 पीपीएम (सिंगललेट, 3 एच); 3.7 पीपीएम (ट्रिपलेट, 2 एच); 11.3 पीपीएम (सिंगललेट, 1 एच)।

पदार्थ ए और बी कार्बोक्जिलिक एसिड हैं, जो कार्बोक्सिल प्रोटॉन -COOH के डी" 11 पीपीएम पर रासायनिक बदलाव से निर्धारित होता है। दो ऑक्सीजन कार्बोक्सिल समूह का हिस्सा हैं। तीसरी ऑक्सीजन ईथर बंधन C-O-C के रूप में अणु में निहित होती है। संकेतों की अभिन्न तीव्रता, उनके रासायनिक बदलाव और बहुलता के आधार पर, हम पदार्थों के सूत्र बनाते हैं:

• समस्या 13. यौगिक ए और बी कार्बोक्जिलिक एसिड हैं। पीएमआर स्पेक्ट्रा डेटा के आधार पर प्रत्येक यौगिक का संरचनात्मक सूत्र लिखें:

ए) यौगिक ए (सी 3 एच 5 सीएलओ 2) (चित्र 9);

चावल। 9. यौगिक ए का पीएमआर स्पेक्ट्रम (सी 3 एच 5 सीएलओ 2)

बी) यौगिक बी (सी 9 एच 9 नंबर 4) (चित्र 10)।

चावल। 10. यौगिक बी का पीएमआर स्पेक्ट्रम (सी 9 एच 9 एनओ 4)

ए) पदार्थ ए - बी-क्लोरोप्रोपियोनिक एसिड सीएलसीएच 2 सीएच 2 सीओओएच। निकटवर्ती मेथिलीन समूह स्पेक्ट्रम के विभिन्न क्षेत्रों में समान तीव्रता के त्रिक संकेत बनाते हैं। यह उदाहरण दिखाता है कि, पीएमआर स्पेक्ट्रा का उपयोग करके, कोई प्रतिस्थापन के इलेक्ट्रॉन-निकासी गुणों का मूल्यांकन कर सकता है: डी (सीएच 2 सीएल) = 3.77 पीपीएम, डी (सीएच 2 सीओओएच) = 2.85 पीपीएम, यानी क्लोरीन कार्बोक्सिल की तुलना में एक मजबूत इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता है समूह।

बी) पदार्थ बी में एक कार्बोक्सिल समूह (डी" 12 पीपीएम पर कार्बोक्सिल प्रोटॉन की प्रतिध्वनि), एक पैरा-प्रतिस्थापित सुगंधित बेंजीन रिंग (डी = 7.5-8.2 पीपीएम पर चार-लाइन स्पेक्ट्रम), एक नाइट्रो समूह और दो जुड़े हुए एल्काइल कार्बन होते हैं। सीएच 3 सीएच (अभिन्न तीव्रता और दोहरे-चौकड़ी विभाजन की प्रकृति द्वारा)।

संभावित संरचनात्मक सूत्र:

ए-(एन-नाइट्रोफेनिल)प्रोपियोनिक एसिड

4-(ए-नाइट्रोइथाइल)बेंजोइक एसिड

संदर्भ

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