الرنين المغناطيسي النووي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 37 صور
الموسوعة الحرة

 مطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من نوع Bruker بتردد 700 ميجاهرتز.
المبادئ الأساسية للرنين المغناطيسي النووي (NMR)

الرنين المغناطيسي النووي ( NMR ) ظاهرة فيزيائية تتأثر فيها النوى الموجودة في مجال مغناطيسي ثابت وقوي بمجال مغناطيسي متذبذب ضعيف (في المجال القريب [ 1 ] )، فتستجيب بإنتاج إشارة كهرومغناطيسية بتردد مميز للمجال المغناطيسي عند النواة. تحدث هذه العملية بالقرب من الرنين ، عندما يتطابق تردد التذبذب مع التردد الذاتي للنوى، والذي يعتمد على قوة المجال المغناطيسي الثابت، والبيئة الكيميائية، والخصائص المغناطيسية للنظير المعني . في التطبيقات العملية ذات المجالات المغناطيسية الثابتة التي تصل إلى حوالي 20 تسلا ، يكون التردد مشابهًا لترددات البث التلفزيوني VHF و UHF (60-1000 ميجاهرتز). ينتج الرنين المغناطيسي النووي عن خصائص مغناطيسية محددة لبعض النوى الذرية. يُستخدم مطياف الرنين المغناطيسي النووي عالي الدقة على نطاق واسع لتحديد بنية الجزيئات العضوية في المحاليل، ودراسة الفيزياء الجزيئية والبلورات ، بالإضافة إلى المواد غير البلورية. يُستخدم الرنين النووي المغناطيسي (NMR) بشكل روتيني في تقنيات التصوير الطبي المتقدمة ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). ويُركز التطبيق الأصلي للرنين النووي المغناطيسي في فيزياء المادة المكثفة حاليًا على أنظمة الإلكترونات ذات الارتباطات القوية. ويكشف هذا النوع من الرنين عن اقترانات كبيرة بين الأجسام المتعددة من خلال الكشف السريع واسع النطاق، ويجب عدم الخلط بينه وبين الرنين النووي المغناطيسي في الحالة الصلبة، الذي يهدف إلى إزالة تأثير نفس الاقترانات باستخدام تقنيات الدوران بزاوية سحرية .  

أكثر النوى استخداماً هي 1H و 13على الرغم من أن نظائر العديد من العناصر الأخرى، مثل 19F ، 31P و 29يمكن دراسة السيليكون (Si ) أيضًا باستخدام مطيافية الرنين النووي المغناطيسي عالية المجال. ولكي يتفاعل مع المجال المغناطيسي في المطياف، يجب أن تمتلك النواة زخمًا زاويًا ذاتيًا وعزمًا مغناطيسيًا ثنائي القطب . ويحدث هذا عندما يكون للنظير عزم مغزلي نووي غير صفري ، أي عدد فردي من البروتونات و/أو النيوترونات (انظر: النظائر ). أما النوى التي تحتوي على أعداد زوجية من كليهما، فلها عزم مغزلي كلي يساوي صفرًا، وبالتالي فهي غير نشطة في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي.

عند تطبيقها على الجزيئات، لا يمكن ملاحظة تأثير الرنين المغناطيسي النووي إلا في وجود مجال مغناطيسي ثابت. مع ذلك، في الأطوار المنتظمة للمواد المغناطيسية، تتولد مجالات داخلية كبيرة جدًا عند نوى الأيونات المغناطيسية (والروابط القريبة منها ) ، مما يسمح بإجراء الرنين المغناطيسي النووي في غياب أي مجال مغناطيسي خارجي. إضافةً إلى ذلك، يمكن أيضًا إثارة انتقالات الترددات الراديوية ذات اللف المغزلي النووي I > 1/2 ، والتي تتميز باقتران رباعي الأقطاب كهربائي كبير بما يكفي مع تدرج المجال الكهربائي عند النواة، في غياب أي مجال مغناطيسي خارجي ( رنين رباعي الأقطاب النووي ).

في التطبيقات الكيميائية السائدة، يُحسّن استخدام المجالات المغناطيسية الأعلى حساسية الطريقة (تتناسب نسبة الإشارة إلى الضوضاء تقريبًا مع قوة المجال المغناطيسي 3/2 ) ودقة الطيف. وقد طُوّرت أجهزة مطياف الرنين النووي المغناطيسي التجارية التي تستخدم مغانطًا فائقة التوصيل مُبرّدة بالهيليوم السائل بمجالات تصل إلى 28 تسلا، وهي تُستخدم على نطاق واسع. [ 2 ]

من السمات الرئيسية للرنين المغناطيسي النووي أن تردد الرنين لنوى المادة في عينة معينة يتناسب عادةً تناسبًا طرديًا مع شدة المجال المغناطيسي المُطبق. وتُستغل هذه السمة في تقنيات التصوير؛ فإذا وُضعت عينة في مجال مغناطيسي غير منتظم، فإن ترددات الرنين لنوى العينة تعتمد على موقعها في المجال. ويُشكل هذا التأثير أساس التصوير بالرنين المغناطيسي .

يتضمن مبدأ الرنين النووي المغناطيسي عادةً ثلاث خطوات متسلسلة:

  • محاذاة (استقطاب) اللف المغزلي النووي المغناطيسي في مجال مغناطيسي ثابت مطبق B 0 .
  • يحدث اضطراب في اصطفاف اللف المغزلي النووي بفعل مجال مغناطيسي متذبذب ضعيف، يُشار إليه عادةً بنبضة ترددات الراديو . ويعتمد تردد التذبذب اللازم لإحداث اضطراب ملحوظ على المجال المغناطيسي الثابت ( B₀ ) ونوى الذرات المراد رصدها.
  • يتم الكشف عن إشارة الرنين النووي المغناطيسي أثناء أو بعد نبضة التردد الراديوي، وذلك بسبب الجهد المستحث في ملف الكشف نتيجة لترنح اللف المغزلي النووي حول المجال المغناطيسي B₀ . بعد نبضة التردد الراديوي، يحدث الترنح عادةً بتردد لارمور للنوى ، ولا يتضمن في حد ذاته انتقالات بين حالات اللف المغزلي أو مستويات الطاقة. [ 1 ]

يُختار عادةً المجالان المغناطيسيان متعامدين، إذ يُعظّم ذلك قوة إشارة الرنين المغناطيسي النووي. تُحلّل ترددات استجابة الإشارة الزمنية للمغنطة الكلية ( M ) للدوران النووي في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي. يستخدم كلا التقنيتين مجالات مغناطيسية خارجية ( B₀ ) ذات قوة عالية، تُنتج عادةً بتيارات كبيرة في ملفات فائقة التوصيل ، لتحقيق تشتت في ترددات الاستجابة وتجانس واستقرار عاليين جدًا، ما يُتيح الحصول على دقة طيفية ، تُوصف تفاصيلها بالانزياحات الكيميائية ، وتأثير زيمان ، وانزياحات نايت (في المعادن). يمكن أيضًا زيادة المعلومات التي يوفرها الرنين المغناطيسي النووي باستخدام الاستقطاب الفائق ، و/أو باستخدام تقنيات ثنائية وثلاثية الأبعاد وتقنيات ذات أبعاد أعلى.

تُستخدم ظواهر الرنين المغناطيسي النووي أيضًا في الرنين المغناطيسي النووي منخفض المجال ، وقياس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي، والتصوير بالرنين المغناطيسي في المجال المغناطيسي للأرض (يشار إليه باسم الرنين المغناطيسي النووي للمجال الأرضي )، وفي عدة أنواع من أجهزة قياس المغناطيسية .

تاريخ

وُصِفَ الرنين المغناطيسي النووي لأول مرة وقِيس في الحزم الجزيئية على يد إيزيدور رابي عام 1938، [ 3 ] وذلك بتوسيع تجربة شتيرن-غيرلاخ ، وفي عام 1944، مُنِح رابي جائزة نوبل في الفيزياء عن هذا العمل. [ 4 ] وفي عام 1946، وسّع فيليكس بلوخ وإدوارد ميلز بورسيل نطاق استخدام هذه التقنية لتشمل السوائل والمواد الصلبة، وحصلا على جائزة نوبل في الفيزياء مناصفةً عام 1952. [ 5 ] [ 6 ]

قدم راسل إتش فاريان براءة اختراع أمريكية رقم 2,561,490 بعنوان "طريقة ووسائل لربط الخصائص النووية للذرات والمجالات المغناطيسية" في 21 أكتوبر 1948 وتم قبولها في 24 يوليو 1951. طورت شركة فاريان أسوشيتس أول وحدة NMR تسمى NMR HR-30 في عام 1952. [ 7 ]

عمل بيرسيل على تطوير الرادار خلال الحرب العالمية الثانية في مختبر الإشعاع التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . وقد أرست أعماله خلال ذلك المشروع حول إنتاج وكشف طاقة الترددات الراديوية وامتصاص هذه الطاقة بواسطة المادة الأساس لاكتشافه الرنين المغناطيسي النووي في المادة الصلبة.

لاحظ رابي وبلوخ وبورسيل أن النوى المغناطيسية، مثل 1H و 31يمكن للفوسفور امتصاص طاقة الترددات الراديوية عند وضعه في مجال مغناطيسي، وعندما يكون تردد التردد الراديوي خاصًا بنوع النواة. عند حدوث هذا الامتصاص، تُوصف النواة بأنها في حالة رنين . ترن النوى الذرية المختلفة داخل الجزيء بترددات راديوية مختلفة في نفس المجال المغناطيسي الساكن المُطبق، وذلك بسبب اختلاف المجالات المغناطيسية المحلية. يُتيح رصد ترددات الرنين المغناطيسي هذه للنوى الموجودة في الجزيء تحديد معلومات كيميائية وبنيوية أساسية عنه. [ 8 ]

استفادت تحسينات طريقة الرنين المغناطيسي النووي من تطور التكنولوجيا الكهرومغناطيسية والإلكترونيات المتقدمة ودخولها حيز الاستخدام المدني. في البداية، اقتصر استخدامها كأداة بحثية بشكل أساسي على الاستقطاب النووي الديناميكي ، بفضل أعمال أناتول أبرغام وألبرت أوفرهاوزر ، وعلى فيزياء المادة المكثفة ، حيث قدمت إحدى أولى البراهين على صحة نظرية BCS للموصلية الفائقة من خلال ملاحظة تشارلز سليشتر لتأثير هيبل-سليشتر. وسرعان ما أظهرت إمكاناتها في الكيمياء العضوية ، حيث أصبح الرنين المغناطيسي النووي لا غنى عنه، وبحلول تسعينيات القرن الماضي، أدى تحسين حساسية ودقة مطيافية الرنين المغناطيسي النووي إلى استخدامها على نطاق واسع في الكيمياء التحليلية والكيمياء الحيوية وعلوم المواد .

في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، تم تطوير تقنية الرنين المغناطيسي النووي في المجال الصفري إلى المجال المنخفض للغاية ( ZULF NMR )، وهي شكل من أشكال التحليل الطيفي يوفر نتائج تحليلية وفيرة دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية كبيرة . وهي تُدمج مع تقنية خاصة تُمكّن من استقطاب نوى الذرات استقطاباً فائقاً . [ 9 ]

نظرية الرنين المغناطيسي النووي

اللف المغزلي النووي والمغناطيس

جميع النيوكليونات، أي النيوترونات والبروتونات ، التي تُكوّن أي نواة ذرية ، لها خاصية كمومية جوهرية هي اللف المغزلي ، وهو زخم زاوي جوهري يُشابه الزخم الزاوي الكلاسيكي للكرة الدوارة. يُحدد اللف المغزلي الكلي للنواة بواسطة العدد الكمي المغزلي S. إذا كان عدد كل من البروتونات والنيوترونات في نواة معينة زوجيًا، فإن النظام يُفضل تقليل لفه المغزلي، مما يُعطي S = 0 ، أي أنه لا يوجد لف مغزلي كلي. عندئذٍ، وكما تتزاوج الإلكترونات في مدارات ذرية غير مُنحلة ، كذلك تتزاوج أعداد زوجية من البروتونات أو أعداد زوجية من النيوترونات (وكلاهما جسيمات ذات لف مغزلي 1/2 ، وبالتالي فرميونات ) ، مما يُعطي لفًا مغزليًا كليًا يساوي صفرًا .

مع ذلك، يمتلك البروتون والنيوترون غير المزدوجين طاقة أقل عندما تكون لفاتهم متوازية، لا متعاكسة. ولا يُخالف هذا التوازي في اللفات للجسيمات المتميزة مبدأ استبعاد باولي . ويرتبط انخفاض الطاقة في حالة اللفات المتوازية ببنية الكواركات لهذين النيوكليونين. ونتيجةً لذلك، فإن الحالة الأرضية للديوترون (نواة الديوتيريوم ، نظير الهيدروجين 2H )، الذي يحتوي على بروتون ونيوترون فقط، تُقابل قيمة لف تساوي 1 ، لا صفرًا . من جهة أخرى، وبسبب مبدأ استبعاد باولي، يجب أن يحتوي نظير الهيدروجين التريتيوم على زوج من النيوترونات ذات اللفات المتضادة (ذات لف كلي يساوي صفرًا لزوج النيوترونات)، بالإضافة إلى بروتون ذي لف 1/2 . لذلك، فإن قيمة اللف المغزلي النووي الكلي للتريتيوم هي 1/2 ، تمامًا مثل نظير الهيدروجين الأبسط والأكثر وفرة، نواة 1H ( البروتون ) . كما أن تردد امتصاص الرنين المغناطيسي النووي للتريتيوم مشابه لتردد 1H . في العديد من حالات النوى غير المشعة الأخرى، يكون اللف المغزلي الكلي غير صفري أيضًا، وقد يكون له مساهمة من الزخم الزاوي المداري للنيوكليون غير المزدوج . على سبيل المثال، 27تمتلك نواة الألومنيوم قيمة دورانإجمالية S = 5 / 2 .

دوران غير صفريS→{\displaystyle {\vec {S}}}يرتبط بعزم ثنائي قطب مغناطيسي غير صفري ،μ→{\displaystyle {\vec {\mu }}}، عبر العلاقةμ→=γS→{\displaystyle {\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}}حيث γ هي النسبة المغناطيسية الدورانية . كلاسيكيًا، يتوافق هذا مع التناسب بين الزخم الزاوي وعزم ثنائي القطب المغناطيسي لكرة مشحونة تدور، وكلاهما متجهان موازيان لمحور الدوران ويزداد طولهما تناسبًا مع تردد الدوران. إن العزم المغناطيسي وتفاعله مع المجالات المغناطيسية هو ما يسمح بملاحظة إشارة الرنين المغناطيسي النووي المرتبطة بالانتقالات بين مستويات اللف المغزلي النووي أثناء التشعيع الرنيني بترددات الراديو أو الناتجة عن ترنح لارمور للعزم المغناطيسي المتوسط ​​بعد التشعيع الرنيني. النوى التي تحتوي على أعداد زوجية من البروتونات والنيوترونات يكون لها عزم ثنائي قطب مغناطيسي نووي يساوي صفرًا ، وبالتالي لا تُظهر إشارة رنين مغناطيسي نووي. على سبيل المثال، 18يُعد الأكسجين مثالاً على نظير لا يُنتج إشارة رنين مغناطيسي نووي، بينما يُنتج النظير 13 إشارة رنين مغناطيسي نووي.ج ، 31ص ، 35Cl و 37الكلور نظائر تُظهر أطياف الرنين النووي المغناطيسي. أما النواتان الأخيرتان فلهما عزم مغزلي S أكبر من 1/2 ، وبالتالي فهما نواتان رباعيتا الأقطاب .

يُعدّ رنين الدوران الإلكتروني (ESR) تقنيةً مشابهةً تُستخدم للكشف عن الانتقالات بين مستويات الدوران الإلكتروني بدلاً من مستويات الدوران النووي. تتشابه المبادئ الأساسية، لكن الأجهزة المستخدمة وتحليل البيانات والنظرية التفصيلية تختلف اختلافًا كبيرًا. علاوةً على ذلك، يوجد عدد أقل بكثير من الجزيئات والمواد ذات الدوران الإلكتروني غير المزدوج التي تُظهر امتصاصًا في رنين الدوران الإلكتروني (أو رنين الدوران الإلكتروني البارامغناطيسي (EPR)) مقارنةً بتلك التي تُظهر أطياف امتصاص في الرنين المغناطيسي النووي (NMR). من ناحية أخرى، يتميز رنين الدوران الإلكتروني بإشارة أعلى بكثير لكل دورة دوران مقارنةً بالرنين المغناطيسي النووي.

قيم الزخم الزاوي الدوراني

اللف المغزلي النووي هو زخم زاوي جوهري مُكمّم. وهذا يعني أن مقدار هذا الزخم الزاوي مُكمّم (أي أن S لا يمكن أن يأخذ إلا نطاقًا محدودًا من القيم)، وأن مركبات الزخم الزاوي x و y و z مُكمّمة أيضًا، إذ تقتصر على مضاعفات صحيحة أو نصف صحيحة لثابت بلانك المُختزل ħ . يُعرف العدد الكمي الصحيح أو نصف الصحيح المرتبط بمركبة اللف المغزلي على طول المحور z أو المجال المغناطيسي المُطبق بالعدد الكمي المغناطيسي m ، ويمكن أن يأخذ قيمًا من + S إلى −S ، بخطوات صحيحة. وبالتالي ، لأي نواة معينة، يوجد إجمالي 2S + 1 حالة زخم زاوي.

المركبة z لمتجه الزخم الزاوي (S→{\displaystyle {\vec {S}}}وبالتالي، فإن S z = mħ . والمركبة z للعزم المغناطيسي هي ببساطة:μz=γSz=γمℏ.{\displaystyle \mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .}

طاقة الدوران في المجال المغناطيسي

انقسام طاقات دوران النوى في مجال مغناطيسي خارجي
نموذج بديهي. تمتلك النوى ذات اللف المغزلي عزمًا مغناطيسيًا ( عزم مغناطيسي ذو لف مغزلي ). في حد ذاته، لا يوجد فرق في الطاقة لأي اتجاه محدد للمغناطيس النووي (حالة طاقة واحدة فقط، على اليسار)، ولكن في وجود مجال مغناطيسي خارجي، توجد حالة طاقة عالية وحالة طاقة منخفضة اعتمادًا على الاتجاه النسبي للمغناطيس بالنسبة للمجال الخارجي، وفي حالة التوازن الحراري، يُفضل الاتجاه ذو الطاقة المنخفضة. يدور متوسط ​​اتجاه العزم المغناطيسي حول المجال. يمكن توفير المجال الخارجي بواسطة مغناطيس كبير، وكذلك بواسطة الإلكترونات والنوى الأخرى في الجوار.

لنفترض أن لدينا نوى ذات دوران مغزلي يساوي نصف، مثل 1ح ، 13ج أو 19و . لكل نواة حالتان دورانيتان مستقلتان خطيًا، حيث m = 1/2 أو m = -1/2 ( يُشار إليهما أيضًا بالدوران لأعلى وللأسفل ، أو أحيانًا حالتي الدوران α وβ على التوالي) للمركبة z للدوران. في غياب المجال المغناطيسي ، تكون هاتان الحالتان متساويتين في الطاقة ؛ أي أن لهما نفس الطاقة. وبالتالي ، سيكون عدد النوى في هاتين الحالتين متساويًا تقريبًا عند التوازن الحراري .

إذا وُضعت نواة ذات عزم مغزلي في مجال مغناطيسي، فإن حالتيها لا تمتلكان نفس الطاقة نتيجةً للتفاعل بين عزم ثنائي القطب المغناطيسي النووي والمجال المغناطيسي الخارجي. طاقة عزم ثنائي القطب المغناطيسيμ→{\displaystyle {\vec {\mu }}}في مجال مغناطيسي B 0 ، يُعطى بالعلاقة التالية:هـ=-μ→⋅ب0=-μxب0x-μyب0y-μzب0z.{\displaystyle E=-{\vec {\mu }}\cdot \mathbf {B} _{0}=-\mu _{x}B_{0x}-\mu _{y}B_{0y}-\mu _{z}B_{0z}.}

عادةً ما يتم اختيار المحور z ليكون على طول B 0 ، وبالتالي فإن التعبير أعلاه يختزل إلى: هـ=-μzب0،{\displaystyle E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\,,} أو بدلاً من ذلك: هـ=-γمℏب0.{\displaystyle E=-\gamma m\hbar B_{0}\,.}

نتيجةً لذلك، تمتلك حالات الدوران النووي المختلفة طاقاتٍ مختلفة في مجال مغناطيسي غير صفري. بعبارةٍ أبسط، يمكننا وصف حالتي الدوران لذرة ذات دوران 1/2 بأنهما إما متوازيتان مع المجال المغناطيسي أو معاكستان له. إذا كانت قيمة γ موجبة (وهذا صحيح بالنسبة لمعظم النظائر المستخدمة في الرنين المغناطيسي النووي)، فإن m = 1/2 ( " دوران لأعلى ") هي حالة الطاقة الأدنى.

الفرق في الطاقة بين الحالتين هو: Δهـ=γℏب0،{\displaystyle \Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\,,} وينتج عن ذلك انحياز سكاني طفيف لصالح حالة الطاقة الأدنى في حالة التوازن الحراري. ومع وجود عدد أكبر من اللفات المتجهة للأعلى مقارنةً بالأسفل، ينتج عن ذلك مغنطة لفية صافية على طول المجال المغناطيسي B 0 .

ترنح مغنطة الدوران

يُعدّ دوران المغنطة المغزلية حول المجال المغناطيسي عند النواة مفهومًا أساسيًا في الرنين المغناطيسي النووي، بتردد زاوي.ω=-γب{\displaystyle \omega =-\gamma B}أينω=2πν{\displaystyle \omega =2\pi \nu }يتعلق بتردد التذبذبν{\displaystyle \nu }و B هي شدة المجال. [ 10 ] وهذا يعني أن المغنطة الدورانية، التي تتناسب مع مجموع متجهات الدوران للنوى في المواقع المتكافئة مغناطيسيًا ( القيمة المتوقعة لمتجه الدوران في ميكانيكا الكم)، تتحرك على شكل مخروط حول المجال B. وهذا يُشابه الحركة التبادرية لمحور دولاب دوار مائل حول مجال الجاذبية. في ميكانيكا الكم،ω{\displaystyle \omega }تردد بور [ 10 ]Δهـ/ℏ{\displaystyle \Delta {E}/\hbar }التابعSx{\displaystyle S_{x}}وSy{\displaystyle S_{y}}القيم المتوقعة. يحدث ترنح المغنطة غير المتوازنة في المجال المغناطيسي المطبق B 0 بتردد لارمورωL=2πνL=-γب0،{\displaystyle \omega _{L}=2\pi \nu _{L}=-\gamma B_{0},}دون تغيير في عدد مستويات الطاقة لأن الطاقة ثابتة (هاميلتوني مستقل عن الزمن). [ 11 ]

الرنين المغناطيسي ونبضات الترددات الراديوية

لا يحدث اضطراب في اتجاهات اللف المغزلي النووي عن حالة التوازن إلا عند تطبيق مجال مغناطيسي متذبذب بتردد ν <sub>rf</sub> يتطابق بشكل كافٍ مع تردد ترنح لارمور ν <sub> L</sub> للمغنطة النووية. وتخضع مستويات الطاقة ذات اللف المغزلي لأعلى ولأسفل لتذبذبات رابي ، [ 10 ] والتي يُسهل تحليلها من خلال ترنح المغنطة المغزلية حول المجال المغناطيسي الفعال في إطار مرجعي يدور بتردد ν <sub>rf</sub> . [ 12 ] وكلما زادت قوة المجال المتذبذب، زادت سرعة تذبذبات رابي أو سرعة الترنح حول المجال الفعال في الإطار الدوار. بعد فترة زمنية تتراوح بين 2 و1000 ميكروثانية، تُقلب نبضة تردد راديوي رنانة مغنطة الدوران إلى المستوى المستعرض، أي أنها تُشكّل زاوية 90° مع المجال المغناطيسي الثابت B₀ ( "نبضة 90°")، بينما بعد ضعف هذه الفترة، تنعكس المغنطة الأولية ("نبضة 180°"). عادةً ما يتم الكشف عن المغنطة المستعرضة الناتجة عن مجال متذبذب رناني في الرنين المغناطيسي النووي، سواءً عند تطبيق مجال تردد راديوي ضعيف نسبيًا في الرنين المغناطيسي النووي ذي الموجة المستمرة التقليدي، أو بعد نبضة تردد راديوي قوية نسبيًا في الرنين المغناطيسي النووي النبضي الحديث.

الحماية الكيميائية

قد يبدو مما سبق أن جميع أنوية النظير نفسه (وبالتالي نفس قيمة γ ) سترن عند التردد نفسه تمامًا، لكن هذا ليس صحيحًا. إن أهم عامل يؤثر على تردد الرنين النووي المغناطيسي (NMR) في تطبيقاته هو تأثير "الحجب" الذي تُحدثه أغلفة الإلكترونات المحيطة بالنواة. [ 13 ] الإلكترونات، مثل النواة، مشحونة وتدور بدوران مغزلي لتوليد مجال مغناطيسي معاكس للمجال المغناطيسي المُطبق. وبشكل عام، يُقلل هذا الحجب الإلكتروني من المجال المغناطيسي عند النواة (وهو ما يُحدد تردد الرنين النووي المغناطيسي). ونتيجة لذلك، ينخفض ​​التردد اللازم لتحقيق الرنين.

يُطلق على هذا التغير في تردد الرنين النووي المغناطيسي، الناتج عن اقتران المدارات الجزيئية الإلكترونية بالمجال المغناطيسي الخارجي، اسم الانزياح الكيميائي . وهو ما يفسر قدرة الرنين النووي المغناطيسي على دراسة التركيب الكيميائي للجزيئات، والذي يعتمد على توزيع كثافة الإلكترونات في المدارات الجزيئية المقابلة. فإذا كانت نواة في مجموعة كيميائية معينة محجوبة بدرجة أكبر بكثافة إلكترونية أعلى في مداراتها الجزيئية المحيطة، فإن تردد الرنين النووي المغناطيسي الخاص بها سينزاح نحو المجال الأعلى (أي بانزياح كيميائي أقل)، بينما إذا كانت أقل حجبًا بكثافة الإلكترونات المحيطة، فإن تردد الرنين النووي المغناطيسي الخاص بها سينزاح نحو المجال الأدنى (أي بانزياح كيميائي أعلى).

ما لم يكن التناظر الموضعي لهذه المدارات الجزيئية عاليًا جدًا (مما يؤدي إلى إزاحة "متساوية الخواص")، فإن تأثير الحجب سيعتمد على اتجاه الجزيء بالنسبة للمجال الخارجي ( B₀ ). في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للحالة الصلبة ، يلزم استخدام دوران الزاوية السحرية لمعادلة هذا الاعتماد على الاتجاه ، وذلك للحصول على قيم التردد عند متوسط ​​الإزاحات الكيميائية أو الإزاحات متساوية الخواص. هذا غير ضروري في دراسات الرنين النووي المغناطيسي التقليدية للجزيئات في المحلول، حيث أن "الدوران الجزيئي" السريع يُعادل تباين الإزاحة الكيميائية (CSA). في هذه الحالة، غالبًا ما يُشار إلى الإزاحة الكيميائية "المتوسطة" (ACS) أو الإزاحة الكيميائية متساوية الخواص ببساطة باسم الإزاحة الكيميائية.

التخميد الإشعاعي

في عام ١٩٤٩، اقترح سوريان لأول مرة أن التفاعل بين ملف الترددات الراديوية والمغنطة الكلية للعينة قد يفسر سبب اختلاف الملاحظات التجريبية لأزمنة الاسترخاء عن التنبؤات النظرية. [ ١٤ ] وانطلاقًا من هذه الفكرة، طور بلومبرجن وباوند فرضية سوريان من خلال التكامل الرياضي لمعادلات ماكسويل-بلوخ ، وهي عملية أدخلا من خلالها مفهوم "التخميد الإشعاعي". [ ١٥ ] يُعد التخميد الإشعاعي (RD) في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ظاهرة جوهرية تُلاحظ في العديد من تجارب الرنين المغناطيسي النووي عالية المجال، وهي ذات أهمية خاصة في الأنظمة ذات التركيزات العالية من النوى مثل البروتونات أو الفلور. يحدث التخميد الإشعاعي عندما تُحفز المغنطة الكلية المستعرضة للعينة، عقب نبضة تردد راديوي، مجالًا كهرومغناطيسيًا (قوة دافعة كهربائية) في ملف الاستقبال لجهاز مطياف الرنين المغناطيسي النووي. يُولد هذا تيارًا متذبذبًا ومجالًا مغناطيسيًا عرضيًا غير خطي، مما يُعيد نظام الدوران إلى حالة التوازن بشكل أسرع من آليات الاسترخاء الأخرى. [ 16 ] [ 17 ]

يمكن أن يؤدي RD إلى اتساع الخط وقياس زمن استرخاء أقصر للدوران الشبكي (تي1{\displaystyle T_{1}} على سبيل المثال، ستكون عينة من الماء في مطياف الرنين النووي المغناطيسي بتردد 400 ميجاهرتزتيRد{\displaystyle T_{RD}}حوالي 20 مللي ثانية، بينماتي1{\displaystyle T_{1}}يبلغ زمن الاسترخاء مئات المللي ثانية. [ 16 ] غالبًا ما يُوصف هذا التأثير باستخدام معادلات بلوخ المعدلة التي تتضمن حدودًا لتخميد الإشعاع إلى جانب حدود الاسترخاء التقليدية. زمن الاسترخاء الطولي لتخميد الإشعاع (تيRد{\displaystyle T_{RD}}يُعطى ) بالمعادلة [1]. [ 18 ]

تيRد=2γμ0ηسؤالم0{\displaystyle T_{RD}={\frac {2}{\gamma \mu _{0}\eta QM_{0}}}}[1]

أينγ{\displaystyle \gamma }هي النسبة المغناطيسية الدورانية ،μ0{\displaystyle \mu _{0}}هي النفاذية المغناطيسية ،م0{\displaystyle M_{0}}هي المغنطة عند التوازن لكل وحدة حجم،η{\displaystyle \eta }يمثل عامل ملء المسبار نسبة حجم ملف المسبار إلى حجم العينة المحصورة بداخله.سؤال=ωLR{\displaystyle Q={\frac {\omega L}{R}}}هو عامل جودة المسبار،ω{\displaystyle \omega }،L{\displaystyle L}، وR{\displaystyle R}تمثل هذه القيم تردد الرنين، والحث، والمقاومة للملف، على التوالي. ويمكن تحديد مقدار اتساع الخط الناتج عن التخميد الإشعاعي عن طريق قياسΔv12{\displaystyle \Delta v_{\frac {1}{2}}}واستخدم المعادلة [2]. [ 19 ]

تيRد-1=π0.8384Δv12{\displaystyle T_{RD}^{-1}={\frac {\pi }{0.8384}}\Delta v_{\frac {1}{2}}}[2]

يتأثر التخميد الإشعاعي في الرنين المغناطيسي النووي بشكل كبير بمعايير النظام. ويكون هذا التخميد أكثر وضوحًا في الأنظمة التي يمتلك فيها مسبار الرنين المغناطيسي النووي عامل جودة عالي (سؤال{\displaystyle Q}ومعامل تعبئة عالٍ، مما ينتج عنه اقتران قوي بين ملف المجس والعينة. تتأثر هذه الظاهرة أيضًا بتركيز النوى داخل العينة وعزومها المغناطيسية، مما قد يزيد من تأثيرات التخميد الإشعاعي. تتناسب قوة المجال المغناطيسي عكسيًا مع عمر التخميد الإشعاعي. [ 16 ] تأثير التخميد الإشعاعي على إشارات الرنين المغناطيسي النووي متعدد الأوجه. إذ يمكنه تسريع اضمحلال إشارة الرنين المغناطيسي النووي بشكل أسرع مما تشير إليه عمليات الاسترخاء الذاتية. يمكن أن يؤدي هذا التسريع إلى تعقيد تفسير أطياف الرنين المغناطيسي النووي من خلال التسبب في اتساع الخطوط الطيفية، وتشويه هياكل المضاعفات، وإدخال شوائب، خاصة في سيناريوهات الرنين المغناطيسي النووي عالية الدقة. تجعل هذه التأثيرات من الصعب الحصول على بيانات واضحة ودقيقة دون مراعاة تأثير التخميد الإشعاعي. للتخفيف من هذه التأثيرات، تُستخدم استراتيجيات متنوعة في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي. تنبع هذه الطرق في الغالب من الأجهزة أو البرامج. [ 16 ] تعمل تعديلات الأجهزة، بما في ذلك دائرة التغذية بترددات الراديو [ 20 ] ومفاتيح عامل الجودة [ 21 ]، على تقليل حلقة التغذية الراجعة بين مغنطة العينة والمجال الكهرومغناطيسي الناتج عن الملف، وتؤدي وظيفتها بنجاح. كما تُسهم طرق أخرى، مثل تصميم تسلسلات نبضية انتقائية [ 22 ] ، في إدارة المجالات الناتجة عن التخميد الإشعاعي بكفاءة. تهدف هذه الطرق إلى التحكم في التأثيرات السلبية للتخميد الإشعاعي والحد منها أثناء تجارب الرنين المغناطيسي النووي، وقد نجحت جميعها في القضاء على التخميد الإشعاعي إلى حد كبير. عمومًا، يُعد فهم التخميد الإشعاعي وإدارته أمرًا بالغ الأهمية للحصول على بيانات رنين مغناطيسي نووي عالية الجودة، لا سيما في أجهزة قياس الطيف الحديثة ذات المجال العالي، حيث يمكن أن تكون التأثيرات كبيرة نظرًا لزيادة الحساسية والدقة.

الاسترخاء

تصوير أوقات الاسترخاء T1 و T2 .

تشير عملية استرخاء التوزيع النووي إلى عودة اللف المغزلي النووي إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري داخل المغناطيس. تُعرف هذه العملية أيضًا باسم T1 ، أو استرخاء اللف المغزلي الشبكي ، أو استرخاء المجال المغناطيسي الطولي، حيث يشير T1 إلى متوسط ​​الزمن اللازم لعودة نواة منفردة إلى حالة التوازن الحراري لللف المغزلي. بعد استرخاء التوزيع النووي لللف المغزلي، يمكن فحصه مرة أخرى، لأنه يكون في حالته الأولية المتوازنة (المختلطة).

قد تفقد النوى المتقدمة اصطفافها مع بعضها البعض وتتوقف تدريجيًا عن إنتاج الإشارة. يُسمى هذا T2 ، أو " الاسترخاء المغزلي-المغزلي " أو الاسترخاء المستعرض . نظرًا لاختلاف آليات الاسترخاء الفعلية (على سبيل المثال، التفاعلات المغناطيسية ثنائية القطب بين الجزيئات مقابل التفاعلات داخل الجزيء)، يكون T1 عادةً (باستثناء حالات نادرة) أطول من T2 (أي استرخاء أبطأ بين المغزل والشبكة، على سبيل المثال بسبب تأثيرات التفاعل ثنائي القطب الأصغر). عمليًا، تعتمد قيمة T2 * ، وهي زمن الاضمحلال الفعلي لإشارة الرنين النووي المغناطيسي، أو اضمحلال الحث الحر (إلى 1 / e من السعة الأولية مباشرةً بعد نبضة التردد اللاسلكي الرنانة)، على عدم تجانس المجال المغناطيسي الساكن، والذي قد يكون كبيرًا جدًا. (يوجد أيضًا مساهمة أصغر ولكنها مهمة في تقصير إشارة الاضمحلال الحر الملحوظ من عدم تجانس التردد اللاسلكي للنبضة الرنانة). في طيف الرنين النووي المغناطيسي بتحويل فورييه (FT-NMR) المقابل - أي تحويل فورييه لانحلال الحث الحر - يتناسب عرض إشارة الرنين النووي المغناطيسي بوحدات التردد عكسيًا مع زمن الاسترخاء T2 *. وبالتالي، تُنتج النواة ذات زمن الاسترخاء T2 * الطويل قمة حادة جدًا في طيف الرنين النووي المغناطيسي بتحويل فورييه في مجال مغناطيسي ثابت متجانس للغاية ( مُحكم الضبط )، بينما تُنتج النوى ذات قيم T2 * الأقصر قممًا عريضة في طيف الرنين النووي المغناطيسي بتحويل فورييه حتى عند ضبط المغناطيس جيدًا. يعتمد كل من T1 و T2 على معدل الحركات الجزيئية ، بالإضافة إلى النسب المغناطيسية الدورانية لكل من النوى الرنانة ونوى الجوار التالية المتفاعلة معها بقوة والتي ليست في حالة رنين .

تجربة اضمحلال صدى هان لقياس زمن فقدان التزامن.

يمكن استخدام تجربة اضمحلال صدى هان لقياس زمن فقدان التماسك، كما هو موضح في الرسوم المتحركة. يُسجل حجم الصدى عند فواصل زمنية مختلفة بين النبضتين. يكشف هذا عن فقدان التماسك الذي لا يُعاد تركيزه بواسطة نبضة 180°. في الحالات البسيطة، يُقاس اضمحلال أسي يُوصف بزمن T² .

مطيافية الرنين النووي المغناطيسي

مغناطيس الرنين النووي المغناطيسي بتردد 900  ميجاهرتز وقوة 21.2 تسلا في مركز HWB-NMR، برمنغهام، المملكة المتحدة 

يُعدّ التحليل الطيفي بالرنين النووي المغناطيسي (NMR) من التقنيات الرئيسية المستخدمة للحصول على معلومات فيزيائية وكيميائية وإلكترونية وبنيوية عن الجزيئات ، وذلك بفضل الانزياح الكيميائي لترددات الرنين للدوران النووي في العينة. كما تُعدّ انقسامات القمم الناتجة عن اقترانات J أو ثنائية القطب بين النوى مفيدةً أيضًا. يُمكن للتحليل الطيفي بالرنين النووي المغناطيسي توفير معلومات تفصيلية وكمية عن المجموعات الوظيفية، والطوبولوجيا، والديناميكيات، والبنية ثلاثية الأبعاد للجزيئات في المحلول والحالة الصلبة. وبما أن المساحة تحت قمة الرنين النووي المغناطيسي تتناسب عادةً مع عدد الدورانات المشاركة، يُمكن استخدام تكاملات القمم لتحديد التركيب كميًا. [ 23 ] تتضمن إحدى المنهجيات الشائعة فترة تأخير طويلة بين كل مسح طيفي (عادةً، 5 أضعاف أطول زمن استرخاء T1 في خليط معقد لزاوية نبض 90 درجة، حيث يُمكن حساب T1 باستخدام تقنيات مثل FLIPS) [ 24 ] . يسمح هذا للأنوية بالاسترخاء التام، مما يُتيح دقةً أكبر في التكاملات لأغراض التحديد الكمي.

يمكن دراسة البنية والديناميكيات الجزيئية (مع أو بدون دوران "الزاوية السحرية" (MAS)) بواسطة الرنين المغناطيسي النووي للأنوية رباعية الأقطاب (أي، مع دوران S > 1 / 2 ) حتى في وجود توسيع التفاعل المغناطيسي " ثنائي القطب - ثنائي القطب" (أو ببساطة، توسيع ثنائي القطب)، والذي يكون دائمًا أصغر بكثير من قوة التفاعل رباعي الأقطاب لأنه تأثير تفاعل مغناطيسي مقابل تأثير تفاعل كهربائي.

يمكن الحصول على معلومات هيكلية وكيميائية إضافية عن طريق إجراء تجارب الرنين النووي المغناطيسي ثنائي الكم لأزواج من اللفات أو النوى رباعية الأقطاب مثل 2علاوة على ذلك، يُعد الرنين المغناطيسي النووي أحد التقنيات التي استُخدمت لتصميم الأوتوماتا الكمومية، وكذلك لبناء أجهزة حاسوب كمومية أولية . [ 25 ] [ 26 ]

مطيافية الموجة المستمرة (CW)

في العقود الأولى من الرنين المغناطيسي النووي، استخدمت أجهزة قياس الطيف تقنية تُعرف باسم مطيافية الموجة المستمرة (CW)، حيث يُسجل التمغنط المغزلي المستعرض الناتج عن مجال مغناطيسي متذبذب ضعيف كدالة لتردد التذبذب أو شدة المجال الساكن B₀ . [ 12 ] عندما يتطابق تردد التذبذب مع تردد الرنين النووي، يصل التمغنط المستعرض إلى أقصى قيمة له ، ويُلاحظ وجود ذروة في الطيف. على الرغم من إمكانية الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي، وما زال الحصول عليها ممكنًا، باستخدام مجال مغناطيسي ثابت وتغيير تردد المجال المغناطيسي المتذبذب، إلا أنه كان من الأنسب استخدام مصدر بتردد ثابت وتغيير التيار (وبالتالي المجال المغناطيسي) في مغناطيس كهربائي لملاحظة إشارات الامتصاص الرنيني. هذا هو أصل مصطلحي "المجال العالي" و"المجال المنخفض"، وهما مصطلحان غير بديهيين ولكنهما لا يزالان شائعين، للإشارة إلى منطقتي التردد المنخفض والتردد العالي، على التوالي، في طيف الرنين المغناطيسي النووي.

حتى عام 1996، كانت أجهزة الموجة المستمرة (CW) لا تزال تُستخدم في الأعمال الروتينية نظرًا لانخفاض تكلفة صيانة وتشغيل الأجهزة القديمة، والتي كانت تعمل غالبًا بتردد 60  ميجاهرتز باستخدام مغناطيسات كهربائية أضعف (غير فائقة التوصيل) تُبرّد بالماء بدلًا من الهيليوم السائل. كان ملف راديوي واحد يعمل باستمرار، يمسح نطاقًا من الترددات، بينما يستقبل ملف متعامد آخر ، مصمم لعدم استقبال الإشعاع من جهاز الإرسال، إشارات من النوى التي تعيد توجيه نفسها في المحلول. [ 27 ] وفي عام 2014، تم بيع أنظمة مُجددة منخفضة التكلفة بتردد 60  ميجاهرتز و90  ميجاهرتز كأجهزة رنين مغناطيسي نووي بتحويل فورييه (FT-NMR)، [ 28 ] وفي عام 2010، تم ضبط جهاز الرنين المغناطيسي النووي "المتوسط" للعمل بتردد 300  ميجاهرتز. [ 29 ]

تُعدّ مطيافية الموجة المستمرة أقل كفاءةً مقارنةً بتقنيات تحليل فورييه (انظر أدناه)، لأنها تفحص استجابة الرنين النووي المغناطيسي عند ترددات أو شدات مجال منفردة بالتتابع. ولأن إشارة الرنين النووي المغناطيسي ضعيفة بطبيعتها، فإن الطيف المرصود يعاني من انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء . ويمكن التخفيف من ذلك عن طريق حساب متوسط ​​الإشارة، أي جمع الأطياف من القياسات المتكررة. وبينما تكون إشارة الرنين النووي المغناطيسي ثابتة في كل مسح، وبالتالي تتراكم خطيًا، فإن الضوضاء العشوائية تتراكم ببطء أكبر، بما يتناسب مع الجذر التربيعي لعدد الأطياف المضافة (انظر المشي العشوائي ). ومن ثم، تزداد نسبة الإشارة إلى الضوضاء الإجمالية مع الجذر التربيعي لعدد الأطياف المقاسة. ومع ذلك، قد يكون رصد إشارة الرنين النووي المغناطيسي عند تردد واحد كدالة للزمن أنسب للدراسات الحركية من مطيافية الرنين النووي المغناطيسي النبضية بتحويل فورييه. [ 30 ]

مطيافية تحويل فورييه

تتضمن معظم تطبيقات الرنين النووي المغناطيسي (NMR) الحصول على طيف الرنين النووي المغناطيسي الكامل، أي شدة إشارة الرنين النووي المغناطيسي كدالة للتردد. وقد تضمنت المحاولات المبكرة للحصول على طيف الرنين النووي المغناطيسي بكفاءة أعلى من طرق الموجة المستمرة البسيطة إضاءة الهدف في وقت واحد بأكثر من تردد. حدثت ثورة في مجال الرنين النووي المغناطيسي عندما بدأ استخدام نبضات ترددات راديوية قصيرة، بتردد متمركز في منتصف طيف الرنين النووي المغناطيسي. ببساطة، تحتوي نبضة قصيرة بتردد حامل معين على نطاق من الترددات متمركزة حول تردد الحامل ، حيث يتناسب نطاق الإثارة ( عرض النطاق ) عكسيًا مع مدة النبضة، أي أن تحويل فورييه لنبضة قصيرة يحتوي على مساهمات من جميع الترددات في جوار التردد الرئيسي. [ 31 ] إن النطاق المحدود لترددات الرنين النووي المغناطيسي لمعظم النوى الخفيفة ذات اللف المغزلي 1/2 سهّل نسبيًا استخدام نبضات ترددات راديوية قصيرة (1-100 ميكروثانية) لإثارة طيف الرنين النووي المغناطيسي بأكمله.

يؤدي تطبيق نبضة كهذه على مجموعة من اللفات النووية إلى إثارة جميع انتقالات الرنين النووي المغناطيسي أحادية الكم في آنٍ واحد. من حيث متجه المغنطة الكلي، يُقابل هذا إمالة متجه المغنطة بعيدًا عن موضع اتزانه (المحاذي للمجال المغناطيسي الخارجي). ثم يدور متجه المغنطة غير المتزن حول متجه المجال المغناطيسي الخارجي بتردد الرنين النووي المغناطيسي لللفات. يُحفز متجه المغنطة المتذبذب هذا جهدًا في ملف التقاط قريب، مما يُنشئ إشارة كهربائية تتذبذب بتردد الرنين النووي المغناطيسي. تُعرف هذه الإشارة باسم اضمحلال الحث الحر (FID)، وتحتوي على مجموع استجابات الرنين النووي المغناطيسي من جميع اللفات المُثارة. للحصول على طيف الرنين النووي المغناطيسي في مجال التردد (شدة امتصاص الرنين النووي المغناطيسي مقابل تردد الرنين النووي المغناطيسي)، يجب تحويل إشارة مجال الزمن هذه (الشدة مقابل الزمن) باستخدام تحويل فورييه. لحسن الحظ، تزامن تطوير الرنين النووي المغناطيسي بتحويل فورييه (FT) مع تطوير الحواسيب الرقمية وتحويل فورييه السريع الرقمي (FFT). يمكن تطبيق طرق فورييه على أنواع عديدة من التحليل الطيفي. كان ريتشارد ر. إرنست أحد رواد الرنين النووي المغناطيسي النبضي، وقد فاز بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1991 لعمله على الرنين النووي المغناطيسي بتحويل فورييه وتطويره للتحليل الطيفي متعدد الأبعاد بالرنين النووي المغناطيسي.

مطيافية الرنين النووي المغناطيسي متعددة الأبعاد

يُتيح استخدام نبضات ذات مدد وترددات وأشكال مختلفة، ضمن أنماط أو تسلسلات نبضية مُصممة خصيصًا ، إنتاج طيف يحتوي على أنواع عديدة من المعلومات حول جزيئات العينة. في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي متعددة الأبعاد، يوجد نبضتان على الأقل: إحداهما تُؤدي إلى الإشارة المُكتشفة مباشرةً، بينما تُؤثر الأخرى على المغنطة الأولية وحالة الدوران قبلها. يتضمن التحليل الكامل تكرار التسلسل مع تغيير توقيتات النبضات بشكل منهجي، وذلك لدراسة تذبذبات نظام الدوران نقطة بنقطة في المجال الزمني. يُنتج تحويل فورييه متعدد الأبعاد للإشارة الزمنية متعددة الأبعاد الطيف متعدد الأبعاد. في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ثنائية الأبعاد (2D-NMR)، توجد فترة زمنية واحدة متغيرة بشكل منهجي في تسلسل النبضات، والتي تُعدّل شدة أو طور الإشارات المُكتشفة. في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ثلاثية الأبعاد (3D-NMR)، تتغير فترتان زمنيتان بشكل مستقل، وفي مطيافية الرنين المغناطيسي النووي رباعية الأبعاد (4D-NMR)، تتغير ثلاث فترات زمنية.

توجد العديد من هذه التجارب. في بعضها، تسمح فترات زمنية محددة (من بين أمور أخرى) بنقل المغنطة بين النوى، وبالتالي الكشف عن أنواع التفاعلات النووية التي سمحت بنقل المغنطة. تُصنف التفاعلات التي يمكن الكشف عنها عادةً إلى نوعين: تفاعلات عبر الروابط وتفاعلات عبر الفراغ . تتعلق التفاعلات عبر الروابط بالترابط البنيوي للذرات، وتوفر معلومات حول أيها متصل مباشرةً ببعضه، وأيها متصل عبر ذرة وسيطة واحدة، وما إلى ذلك. أما التفاعلات عبر الفراغ فتتعلق بالمسافات والزوايا الهندسية الفعلية، بما في ذلك تأثيرات الاقتران ثنائي القطب وتأثير أوفرهاوزر النووي .

على الرغم من أن المفهوم الأساسي للرنين النووي المغناطيسي ثنائي الأبعاد بتقنية فورييه (2D-FT  NMR) قد اقترحه جان جينر من الجامعة الحرة في بروكسل في مؤتمر دولي، إلا أن ريتشارد إرنست هو من طور هذه الفكرة بشكل كبير ، وهو الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1991 لأبحاثه في مجال  الرنين النووي المغناطيسي بتقنية فورييه، بما في ذلك الرنين النووي المغناطيسي متعدد الأبعاد بتقنية  فورييه، وخاصة الرنين  النووي المغناطيسي ثنائي الأبعاد بتقنية فورييه للجزيئات الصغيرة. [ 32 ] ثم جرى تطوير تجارب الرنين النووي المغناطيسي متعدد الأبعاد  بتقنية فورييه لتصبح منهجيات فعالة لدراسة الجزيئات في المحلول، ولا سيما لتحديد بنية البوليمرات الحيوية مثل البروتينات أو حتى الأحماض النووية الصغيرة . [ 33 ]

في عام 2002، تقاسم كورت ووثريش جائزة نوبل في الكيمياء (مع جون بينيت فين وكويتشي تاناكا ) لعمله مع البروتين FT  NMR في المحلول.

مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للحالة الصلبة

تُكمّل هذه التقنية علم البلورات بالأشعة السينية ، إذ يُمكن تطبيقها غالبًا على الجزيئات في الحالة غير المتبلورة أو السائلة البلورية ، بينما يُجرى علم البلورات، كما يوحي اسمه، على الجزيئات في الحالة البلورية. في المواد الموصلة إلكترونيًا، يُمكن أن يُوفّر انزياح نايت لتردد الرنين معلوماتٍ عن حاملات الشحنة المتحركة. على الرغم من استخدام الرنين المغناطيسي النووي لدراسة بنية المواد الصلبة، إلا أن الحصول على تفاصيل هيكلية دقيقة على المستوى الذري في الحالة الصلبة يُعدّ أكثر صعوبة. نظرًا لتوسّع الطيف الناتج عن تباين الإزاحة الكيميائية (CSA) والاقترانات ثنائية القطب مع اللف المغزلي النووي الآخر، فبدون تقنيات خاصة مثل الرنين المغناطيسي النووي ذي الدوران السحري ( MAS ) أو فصل ثنائي القطب بواسطة نبضات الترددات الراديوية، غالبًا ما يكون الطيف المرصود مجرد نطاق غاوسي عريض لللف المغزلي غير الرباعي في المادة الصلبة.

كان البروفيسور ريموند أندرو، من جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة، رائدًا في تطوير الرنين المغناطيسي النووي عالي الدقة في الحالة الصلبة . وكان أول من أعلن عن تقنية دوران العينة بزاوية سحرية (MASS)، التي مكّنته من تحقيق دقة طيفية في المواد الصلبة كافية للتمييز بين المجموعات الكيميائية ذات الإزاحات الكيميائية المختلفة أو إزاحات نايت المتميزة . في تقنية MASS، تُدار العينة بسرعة عدة كيلوهرتز حول محور يصنع ما يُسمى بالزاوية السحرية θm ( التي تُقارب 54.74 درجة، حيث 3cos²θm⁻¹ = 0 ) بالنسبة لاتجاه المجال المغناطيسي الساكن B₀ . ونتيجةً لهذا الدوران، تُصبح نطاقات تباين الإزاحة الكيميائية العريضة مُعدّلة إلى قيمها المتوسطة (المتساوية الخواص) للإزاحة الكيميائية. ويُعدّ المحاذاة الصحيحة لمحور دوران العينة، بحيث تكون أقرب ما يُمكن إلى θm ، أمرًا ضروريًا لإلغاء اتساع نطاقات تباين الإزاحة الكيميائية. توجد زوايا مختلفة لدوران العينة بالنسبة للمجال المطبق لحساب متوسط ​​التفاعلات الكهربائية الرباعية الأقطاب والتفاعلات البارامغناطيسية، وهي على التوالي حوالي 30.6 درجة و70.1 درجة. في المواد غير المتبلورة، يبقى اتساع الخط المتبقي لأن كل جزء موجود في بيئة مختلفة قليلاً، وبالتالي يُظهر تردد رنين مغناطيسي نووي مختلفًا قليلاً.

يُزال عادةً اتساع أو انقسام الخطوط الطيفية الناتج عن اقترانات ثنائية القطب أو اقترانات J مع نوى الهيدروجين -1 المجاورة، وذلك باستخدام نبضات ترددات راديوية تُطبق بتردد الهيدروجين -1 أثناء كشف الإشارة. وقد استُخدم مفهوم الاستقطاب المتقاطع، الذي طوره سفين هارتمان وإروين هان، في نقل المغنطة من البروتونات إلى النوى الأقل حساسية بواسطة إم جي جيبي وأليكس باينز وجون إس. وو . ثم أثبت جيك شيفر وإد ستيسكال الاستخدام الفعال للاستقطاب المتقاطع في ظل ظروف الدوران بزاوية سحرية (CP-MAS) وفصل البروتونات، والذي يُستخدم الآن بشكل روتيني لقياس أطياف عالية الدقة لنوى منخفضة الوفرة والحساسية، مثل الكربون-13 والسيليكون-29 والنيتروجين-15، في المواد الصلبة. ويمكن تحقيق تحسين إضافي كبير للإشارة عن طريق الاستقطاب النووي الديناميكي من الإلكترونات غير المزدوجة إلى النوى، عادةً عند درجات حرارة تقارب 110 كلفن.

حساسية

نظراً لأن شدة إشارات الرنين المغناطيسي النووي، وبالتالي حساسية هذه التقنية، تعتمد على قوة المجال المغناطيسي، فقد شهدت هذه التقنية تطوراً ملحوظاً على مر العقود مع تطوير مغناطيسات أكثر قوة. كما ساهمت التطورات في تكنولوجيا الصوت والصورة في تحسين قدرات توليد الإشارات ومعالجتها في الأجهزة الحديثة.

كما ذُكر سابقًا، تعتمد حساسية إشارات الرنين المغناطيسي النووي على وجود نظير قابل للتأثر المغناطيسي، وبالتالي، إما على وفرة هذه النظائر في الطبيعة أو على قدرة الباحث على إثراء الجزيئات قيد الدراسة بها صناعيًا. تُعد نظائر الهيدروجين والفوسفور الأكثر وفرة في الطبيعة (على سبيل المثال) قابلة للتأثر المغناطيسي، وهي مفيدة جدًا في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي. في المقابل، يمتلك الكربون والنيتروجين نظائر مفيدة، لكنها موجودة بوفرة طبيعية منخفضة جدًا.

تنشأ قيود أخرى على الحساسية من الطبيعة الكمومية لهذه الظاهرة. ففي الحالات الكمومية المفصولة بطاقة تعادل ترددات الراديو، تتسبب الطاقة الحرارية من البيئة في تقارب كثافة الحالات. وبما أن الإشعاع الوارد يُحتمل أن يُسبب انبعاثًا مُحفزًا (انتقالًا من الحالة العليا إلى الحالة الدنيا) بنفس احتمالية امتصاصه، فإن تأثير الرنين المغناطيسي النووي يعتمد على وجود فائض من النوى في الحالات الدنيا. وهناك عدة عوامل قد تُقلل من الحساسية، منها:

  • تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى موازنة توزيع حالات بولتزمان . في المقابل، قد يُعطي الرنين المغناطيسي النووي عند درجات حرارة منخفضة نتائج أفضل من الرنين المغناطيسي النووي عند درجة حرارة الغرفة، شريطة أن تبقى العينة سائلة.
  • يحدث تشبع العينة عند تطبيق الطاقة بتردد الرنين الراديوي. ويتجلى هذا في كل من الرنين النووي المغناطيسي المستمر (CW) والنبضي (pulsed NMR). في الحالة الأولى (CW)، يحدث ذلك نتيجة استخدام طاقة مستمرة عالية جدًا تُبقي مستويات الدوران العليا ممتلئة تمامًا. أما في الحالة الثانية (pulsed)، فإن كل نبضة (أي نبضة بزاوية 90 درجة على الأقل) تُشبع العينة، ويجب أن يمر من أربعة إلى خمسة أضعاف زمن الاسترخاء (الطولي) ( 5T1 ) قبل تطبيق النبضة التالية أو سلسلة النبضات التالية. في تجارب النبضة المفردة، يمكن استخدام نبضات تردد راديوي أقصر تُغير المغنطة بأقل من 90 درجة، مما يُفقد بعضًا من شدة الإشارة، ولكنه يسمح بتقليل فترات إعادة التدوير . تُسمى القيمة المثلى في هذه الحالة زاوية إرنست ، نسبةً إلى الحائز على جائزة نوبل . خاصة في الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة، أو في العينات التي تحتوي على عدد قليل جدًا من النوى ذات الدوران (الماس الذي يحتوي على 1٪ طبيعي من الكربون-13 يمثل مشكلة خاصة هنا) يمكن أن تكون أوقات الاسترخاء الطولي في نطاق الساعات، بينما بالنسبة للرنين المغناطيسي النووي للبروتون، فإنها غالبًا ما تكون في نطاق ثانية واحدة.
  • تؤثر التأثيرات غير المغناطيسية، مثل اقتران العزم الكهربائي الرباعي للأنوية ذات اللف المغزلي 1 و 3 / 2 مع بيئتها المحلية، على توسيع قمم الامتصاص وإضعافها. 14يُعدّ النيتروجين (N) ، وهو نواة وفيرة ذات دوران مغزلي 1، صعب الدراسة لهذا السبب. وبدلاً من ذلك، يستخدم الرنين المغناطيسي النووي عالي الدقة جزيئات ذات دوران مغزلي 15 أقل شيوعًا.نظير النيتروجين ، الذيله دوران مغزلي 1/2 .

النظائر

يمكن استخدام العديد من نظائر العناصر الكيميائية في تحليل الرنين النووي المغناطيسي. [ 34 ]

النوى شائعة الاستخدام:

  • 1تمت دراسة الهيدروجين ( H) ، وهو النواة الأكثر استخدامًا ذات اللف المغزلي 1/2 في دراسات الرنين المغناطيسي النووي، باستخدام العديد من تقنيات الرنين المغناطيسي النووي. يُعد الهيدروجين عنصرًا وفيرًا للغاية، خاصة في الأنظمة البيولوجية. وهو النواة التي تُعطي أقوى إشارة رنين مغناطيسي نووي (باستثناء 3).( والذي لا يُستخدم عادةً بسبب عدم استقراره ونشاطه الإشعاعي). يتميز الرنين النووي المغناطيسي للبروتون بنطاق إزاحة كيميائية ضيق ، ولكنه يُعطي إشارات حادة في المحلول. يُمكن الحصول على أطياف كمية بسرعة (مع تكاملات الذروة بنسب قياسية) نظرًا لقصر زمن الاسترخاء.لقد وفرت نواة الهيدروجين الإشارة التشخيصية الوحيدة للتصوير بالرنين المغناطيسي السريري (MRI).
  • 2يُستخدم الهيدروجين (H) ، وهو نواة ذات دوران مغزلي 1، بشكل شائع لتوفير وسط خالٍ من الإشارات في صورة مذيبات مُدَوتَرة لتحليل الرنين النووي المغناطيسي للبروتون، وذلك لتجنب تداخل الإشارات من المذيبات المحتوية على الهيدروجين في قياس 1يُستخدم الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (H NMR) للمواد المذابة. كما يُستخدم في تحديد سلوك الدهون في الأغشية الدهنية وغيرها من المواد الصلبة أو البلورات السائلة، حيث أنه علامة غير مؤثرة نسبيًا يمكنها أن تحل محل 1 بشكل انتقائيح . أو بدلاً من ذلك، 2يمكن الكشف عن الهيدروجين في الوسائط الموسومة خصيصًا بالرقم 2يستخدم الرنين H . Deuterium بشكل شائع في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي عالية الدقةلمراقبة انحراف قوة المجال المغناطيسي (القفل) ولمراقبة تجانس المجال المغناطيسي الخارجي.
  • 3إنه شديد الحساسية للرنين المغناطيسي النووي. يوجد بتركيز منخفض جدًا في الهيليوم الطبيعي ويمكن تنقيته من 4هو . يستخدم بشكل رئيسي في دراسات الفوليرين الداخلي ، حيث يكون خموله الكيميائي مفيدًا لتحديد بنية الفوليرين المحاصر.
  • 11B أكثر حساسية من 10B، مما يُنتج إشارات أكثر وضوحًا. اللف المغزلي النووي لـ 10B هو 3 ، ولـ 11B هو 3/2 . يجب استخدام أنابيب الكوارتز لأن زجاج البوروسيليكات يتداخل مع القياس.
  • 13يُستخدم الكربون -13 ، وهو نواة ذات لف مغزلي 1/2 ، على نطاق واسع، على الرغم من ندرته النسبية في الكربون الطبيعي (حوالي 1.1%). وهو مستقر تجاه الاضمحلال النووي. ونظرًا لانخفاض نسبته في الكربون الطبيعي، فإن الحصول على الطيف من عينات لم يتم إثراؤها بالكربون -13يستغرق التحليل وقتًا طويلاً. يُستخدم الكربون-13 بشكل متكرر لوسم المركبات في الدراسات التركيبية والأيضية. يتميز بحساسية منخفضة ونطاق إزاحة كيميائية واسع نسبيًا، مما ينتج عنه إشارات حادة. انخفاض نسبته يجعله مفيدًا من خلال منع اقترانات الدوران المغزلي، ويجعل الطيف يبدو أقل ازدحامًا. بطء استرخاء الكربون -13 غير المرتبط بالهيدروجين يعني أن الأطياف غير قابلة للتكامل إلا باستخدام أوقات قياس طويلة.
  • 14إن ذرة النيتروجين (N) ، ذات اللف المغزلي 1، هي نواة متوسطة الحساسية ذات نطاق إزاحة كيميائية واسع. ويتداخل عزمها الرباعي الكبير مع الحصول على أطياف عالية الدقة، مما يحد من فائدتها للجزيئات الصغيرة والمجموعات الوظيفية ذات درجة عالية من التناظر، كما هو الحال في المجموعات الرأسية للدهون.
  • 15يُستخدم النيتروجين-15 (N - 1 ) ، ذو اللف المغزلي 1/2 ، بشكل شائع نسبيًا. ويمكن استخدامه لوسم المركبات بالنظائر. يتميز بحساسية منخفضة جدًا ولكنه يُعطي إشارات حادة. يتطلب انخفاض نسبته في النيتروجين الطبيعي ، بالإضافة إلى حساسيته المنخفضة ، تركيزات عالية أو تخصيبًا نظيريًا مكلفًا.
  • 17الأكسجين ، ذو اللف المغزلي 5/2 ، يتميز بحساسية منخفضة ووفرة طبيعية ضئيلة جدًا (0.037%)، ونطاق إزاحة كيميائية واسع (يصل إلى 2000 جزء في المليون). يتسبب عزمه الرباعي في اتساع الخطوط الطيفية. يُستخدم في الدراسات الأيضية والكيميائية الحيوية للتوازنات الكيميائية.
  • 19F ، ذو اللف المغزلي 1/2 ، يُقاس بشكل شائع نسبياً. حساس، ويعطي إشارات حادة، وله نطاق إزاحة كيميائية واسع.
  • 31الفوسفور ، ذو اللف المغزلي 1/2 ، وهو فوسفور طبيعي بنسبة 100%. يتميز بحساسية متوسطة، ونطاق إزاحة كيميائية واسع، وينتج خطوطًا طيفية حادة. تميل الأطياف إلى احتواء مستوى معتدل من التشويش. يُستخدم في الدراسات البيوكيميائية وفي كيمياء التناسق مع الروابط المحتوية على الفوسفور.
  • 35Cl و 37Cl ، دوران مغزلي 3/2 ، إشارة عريضة . 35يُعد الكلور أكثر حساسية بشكل ملحوظ، ويُفضل استخدامه على 37على الرغم من أن إشارة الكلور أوسع قليلاً، إلا أن الكلوريدات العضوية تعطي إشارات واسعة جدًا. ويقتصر استخدامها على الكلوريدات غير العضوية والأيونية والجزيئات العضوية الصغيرة جدًا.
  • 43الكالسيوم (Ca )، ذو اللف المغزلي 7/2 ، يتميز بعزم رباعي أقطاب صغير نسبيًا، وحساسية متوسطة، ووفرة طبيعية منخفضة جدًا. يُستخدم في الكيمياء الحيوية لدراسة ارتباط الكالسيوم بالحمض النووي (DNA) والبروتينات، وما إلى ذلك .
  • 195البلاتين ، المستخدم في دراسات المحفزات والمركبات.

النوى الأخرى (التي تستخدم عادة في دراسات معقداتها والروابط الكيميائية، أو للكشف عن وجود العنصر):

التطبيقات

يُستخدم الرنين المغناطيسي النووي على نطاق واسع في الطب، وتحديدًا في التصوير بالرنين المغناطيسي . كما يُستخدم بكثرة في الكيمياء العضوية، وفي الصناعة بشكل رئيسي لتحليل المواد الكيميائية. وتُستخدم هذه التقنية أيضًا لقياس نسبة الماء إلى الدهون في الأطعمة، ومراقبة تدفق السوائل المسببة للتآكل في الأنابيب، أو لدراسة البنى الجزيئية مثل المحفزات. [ 35 ]

الدواء

التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي

يُعدّ التصوير بالرنين المغناطيسي للتشخيص الطبي والمجهر المغناطيسي في البحوث من أبرز تطبيقات الرنين المغناطيسي النووي المعروفة لدى عامة الناس . إلا أنه يُستخدم على نطاق واسع في الدراسات البيوكيميائية، لا سيما في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي، مثل رنين البروتون ، ورنين الكربون-13 ، ورنين الديوتيريوم، ورنين الفوسفور-31. كما يُمكن الحصول على معلومات بيوكيميائية من الأنسجة الحية (مثل أورام الدماغ البشري ) باستخدام تقنية تُعرف باسم مطيافية الرنين المغناطيسي الحيوي أو مجهر الرنين المغناطيسي النووي للإزاحة الكيميائية .

تُصبح هذه الدراسات الطيفية ممكنة لأن النوى محاطة بإلكترونات تدور حولها، وهي جسيمات مشحونة تُولّد مجالات مغناطيسية محلية صغيرة تُضاف إلى المجال المغناطيسي الخارجي أو تُطرح منه، وبالتالي تُحجب النوى جزئيًا. وتعتمد درجة الحجب على البيئة المحلية المحيطة. فعلى سبيل المثال، يختلف حجب ذرة الهيدروجين المرتبطة بالأكسجين عن حجب ذرة الهيدروجين المرتبطة بالكربون. إضافةً إلى ذلك، يمكن لنواتي هيدروجين أن تتفاعلا عبر عملية تُعرف باسم اقتران الدوران المغزلي ، إذا كانتا على نفس الجزيء، مما يُؤدي إلى انقسام خطوط الطيف بطريقة مميزة.

باعتبارها واحدة من التقنيتين الطيفيتين الرئيسيتين المستخدمتين في علم الأيض ، يتم استخدام الرنين المغناطيسي النووي لتوليد بصمات أيضية من السوائل البيولوجية للحصول على معلومات حول الحالات المرضية أو الأضرار السامة.

كيمياء

شكّل الانزياح الكيميائي المذكور آنفًا خيبة أملٍ للفيزيائيين الذين كانوا يأملون في أن يكون تردد الرنين لكل نوع نووي ثابتًا في مجال مغناطيسي مُحدد. [ 36 ] ولكن في عام 1951 تقريبًا، ابتكر الكيميائي إس إس دارماتي طريقةً لتحديد بنية العديد من المركبات من خلال دراسة قمم أطياف الرنين المغناطيسي النووي. [ 36 ] تُعدّ هذه التقنية انتقائية للغاية، إذ تُميّز بين العديد من الذرات داخل جزيء واحد أو مجموعة من الجزيئات المتشابهة جدًا، والتي لا تختلف إلا في بيئتها الكيميائية المحلية. يُستخدم مطياف الرنين المغناطيسي النووي لتحديد المركبات المعروفة والجديدة بشكلٍ قاطع، ولذلك، عادةً ما تشترطه المجلات العلمية لتأكيد هوية المركبات الجديدة المُصنّعة. للاطلاع على مناقشات مُفصّلة، يُرجى مراجعة المقالات الخاصة بالرنين المغناطيسي النووي للكربون-13 والرنين المغناطيسي النووي للبروتون .

يستطيع الكيميائي تحديد هوية المركب بمقارنة ترددات التذبذب النووي المرصودة بالترددات المعروفة أو المتوقعة. ويمكن توضيح المزيد من البيانات البنيوية بملاحظة اقتران الدوران-الدوران ، وهي عملية يتأثر فيها تردد تذبذب النواة باتجاه دوران نواة مرتبطة بها كيميائيًا. ويُلاحظ اقتران الدوران-الدوران بسهولة في الرنين المغناطيسي النووي للهيدروجين-1 ( 1).(H  NMR) نظرًا لأن وفرته الطبيعية تقارب 100٪.

نظرًا لأن المقياس الزمني للرنين المغناطيسي النووي بطيء نسبيًا مقارنةً بأساليب التحليل الطيفي الأخرى، فإن تغيير درجة حرارة تجربة T2 * يمكن أن يوفر معلومات حول التفاعلات السريعة، مثل إعادة ترتيب كوب ، أو حول الديناميكيات البنيوية، مثل انقلاب الحلقة في سيكلوهكسان . عند درجات حرارة منخفضة بما يكفي، يمكن التمييز بين ذرات الهيدروجين المحورية والاستوائية في سيكلوهكسان.

من الأمثلة على استخدام الرنين المغناطيسي النووي في تحديد البنية، جزيء البكمينستر فوليرين (المعروف أيضًا باسم "كرات بوكي"، تركيبه C60 ) . يتكون هذا الشكل الشهير من الكربون من 60 ذرة كربون تشكل كرة. تقع جميع ذرات الكربون في بيئات متطابقة، وبالتالي من المفترض أن تتعرض لنفس المجال المغناطيسي الداخلي (الهيدروجين). لسوء الحظ، لا يحتوي البكمينستر فوليرين على الهيدروجين، ولذلك 13يجب استخدام الرنين المغناطيسي النووي للكربون -13 . 13تتطلب أطياف الكربون أوقات تسجيل أطول لأن الكربون-13 ليس النظير الشائع للكربون (على عكس الهيدروجين، حيث 1(H هو النظير الشائع). ومع ذلك، في عام 1990، حصل ر. تايلور وزملاؤه في جامعة ساسكس على الطيف ووجدوا أنه يحتوي على قمة واحدة، مما يؤكد البنية غير العادية لباكمينستر فوليرين. [ 37 ]

بطارية

يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي (NMR) أداة تحليلية فعّالة لدراسة البنية المحلية وديناميكيات الأيونات في مواد البطاريات. يوفر الرنين المغناطيسي النووي رؤى فريدة حول البيئات الذرية قصيرة المدى داخل الأنظمة الكهروكيميائية المعقدة، كالبطاريات. تعتمد العمليات الكهروكيميائية على تفاعلات الأكسدة والاختزال، والتي غالبًا ما يشارك فيها الليثيوم -7 أو الصوديوم -23 . وبناءً على ذلك، تتأثر أطياف الرنين المغناطيسي النووي بالبنية الإلكترونية للمادة، مما يجعل الرنين المغناطيسي النووي تقنية أساسية لدراسة سلوك مكونات البطارية أثناء التشغيل.

تتضمن بعض تطبيقات الرنين المغناطيسي النووي في أبحاث البطاريات ما يلي:

  • الأقطاب الكهربائية والتحولات البنيوية: خلال دورات الشحن والتفريغ، تخضع المواد الموجودة في المصاعد والمهابط لتحولات بنيوية موضعية. يمكن رصد هذه التغيرات باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من خلال تحليل شكل خط الإشارة وشدته والانزياح الكيميائي. [ 38 ] غالبًا ما لا تُرصد هذه التحولات بتقنيات حيود الأشعة السينية (التي توفر معلومات بعيدة المدى)، [ 39 ] مما يجعل الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ضروريًا لفهم الآليات الأساسية لتخزين الطاقة.
  • تكوّن التشعبات المعدنية: يُعدّ تكوّن التشعبات المعدنية أحد التحديات التي تواجه بطاريات الليثيوم والصوديوم، إذ يُمكن أن يؤدي إلى حدوث دوائر قصر وتلف كارثي للبطارية. يسمح الرنين المغناطيسي النووي في الموقع للباحثين بمراقبة تكوّن تشعبات الليثيوم أو الصوديوم في الوقت الفعلي أثناء دورات شحن وتفريغ البطارية. [ 40 ] كما يُمكن لتغيير معدلات دورات الشحن والتفريغ تحديد تأثير ذلك على تكوّن التشعبات، مما يُساعد في تطوير استراتيجيات لكبح نموّها وتقليل خطر حدوث دوائر قصر.
  • الإلكتروليتات الصلبة والأسطح البينية: تُعدّ الإلكتروليتات الصلبة محورًا رئيسيًا لأبحاث الجيل القادم من البطاريات، وغالبًا ما تعاني من محدودية معدلات انتشار الأيونات. يمكن لتقنيات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) قياس الانتشارية في الإلكتروليتات الصلبة، مما يساعد الباحثين على فهم كيفية تحسين توصيل الأيونات. [ 41 ] علاوة على ذلك، يُستخدم الرنين المغناطيسي النووي لدراسة السطح البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)، وهي طبقة تتشكل على سطح القطب الكهربائي وتؤثر بالتالي على استقرار البطارية. يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة (ssNMR) ذا قيمة خاصة لتوصيف التركيب وديناميكيات الأيونات داخل طبقة السطح البيني للإلكتروليت الصلب نظرًا لقدراته على الاختبار غير المتلف. [ 42 ]

تقنيات الرنين النووي المغناطيسي في الموقع وخارج الموقع: يمكن تقسيم تقنية الرنين النووي المغناطيسي إلى منهجين تجريبيين رئيسيين في أبحاث البطاريات: الرنين النووي المغناطيسي في الموقع والرنين النووي المغناطيسي خارج الموقع . [ 43 ] يقدم كل منهما مزايا فريدة حسب أهداف البحث.

  • الرنين النووي المغناطيسي في الموقع : يُمكّن الرنين النووي المغناطيسي في الموقع من مراقبة التغيرات الكيميائية والبنيوية في البطاريات أثناء تشغيلها في الوقت الفعلي. وهذا أمر بالغ الأهمية لدراسة الأنواع العابرة التي لا توجد إلا في ظروف التشغيل، مثل بعض نواتج التفاعل الوسيطة. وقد أصبح الرنين النووي المغناطيسي في الموقع أداةً أساسيةً لفهم عمليات مثل ترسيب الليثيوم والصوديوم وتكوّن التشعبات أثناء دورات شحن وتفريغ البطارية. [ 40 ]
    رسم تخطيطي للرنين النووي المغناطيسي في الموقع
  • الرنين النووي المغناطيسي خارج الموقع : يُستخدم الرنين النووي المغناطيسي خارج الموقع بعد تفكيك البطارية، مما يسمح بتحليل مكوناتها بدقة عالية. ويُستخدم غالبًا لدراسة مجموعة واسعة من النوى، بما في ذلك 1H ، 2H ، 6Li ، 7Li ، 13C ، 15N ، 17O ، 19F ، 25Mg ، 29Si ، 31P ، 51V ، 133Cs . العديد من هذه النوى رباعية الأقطاب أو موجودة بوفرة منخفضة، مما يجعل اكتشافها صعبًا. مع ذلك، يتميز الرنين النووي المغناطيسي خارج الموقع بحساسية أفضل وعرض خطوط أضيق، ويمكن تحسين ذلك باستخدام أحجام عينات أكبر، أو مجالات مغناطيسية أعلى، أو تقنية الدوران بزاوية سحرية (MAS).

تحديد النقاء (الرنين النووي المغناطيسي الوزني)

على الرغم من أن تقنية الرنين النووي المغناطيسي (NMR) تُستخدم بشكل أساسي لتحديد البنية، إلا أنه يُمكن استخدامها أيضًا لتحديد نقاء المركب، شريطة معرفة بنيته ووزنه الجزيئي . تتطلب هذه التقنية استخدام معيار داخلي ذي نقاء معروف. عادةً ما يكون لهذا المعيار وزن جزيئي عالٍ لتسهيل الوزن الدقيق، ولكنه يحتوي على عدد قليل نسبيًا من البروتونات لإعطاء قمة واضحة للتكامل اللاحق، مثل 1،2،4،5-رباعي كلورو-3-نيتروبنزين . تُجمع أجزاء موزونة بدقة من المعيار والعينة وتُحلل باستخدام تقنية الرنين النووي المغناطيسي. تُختار القمم المناسبة من كلا المركبين، ويُحدد نقاء العينة باستخدام المعادلة التالية.

Puرأناتy=wsتد×ن[ح]sتد×مدبليوsصلwsصل×مدبليوsتد×ن[ح]sصل×P{\displaystyle \mathrm {النقاء} ={\frac {w_{\mathrm {std}}\times n[\mathrm {H} ]_ {\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl}}}{w_{\mathrm {spl} }\times MW_ {\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ] _ {\mathrm {spl} }}}\مرات P}

أين:

  • w std : وزن المعيار الداخلي
  • وزن العينة (w spl) :
  • n [H] std : المساحة المتكاملة للذروة المختارة للمقارنة في المعيار، مصححة لعدد البروتونات في تلك المجموعة الوظيفية
  • n [H] spl : المساحة المتكاملة للذروة المختارة للمقارنة في العينة، مصححة لعدد البروتونات في تلك المجموعة الوظيفية
  • الوزن الجزيئي القياسي : MW std
  • MW spl : الوزن الجزيئي للعينة
  • P : نقاء المعيار الداخلي

الاختبارات غير المدمرة

يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي أداةً بالغة الأهمية لتحليل العينات دون إتلافها. إذ تخترق المجالات المغناطيسية ذات الترددات الراديوية بسهولة أنواعًا عديدة من المواد، وأي شيء ليس موصلًا للكهرباء بدرجة عالية أو غير مغناطيسي بطبيعته . على سبيل المثال، يمكن دراسة العديد من العينات البيولوجية باهظة الثمن، كالأحماض النووية (بما فيها الحمض النووي الريبي RNA والحمض النووي DNA) أو البروتينات ، باستخدام الرنين المغناطيسي النووي لأسابيع أو شهور قبل اللجوء إلى التجارب الكيميائية الحيوية المُتلفة. وهذا ما يجعل الرنين المغناطيسي النووي خيارًا مناسبًا لتحليل العينات الخطرة.

الحركات القطاعية والجزيئية

إضافةً إلى توفير معلومات ثابتة عن الجزيئات من خلال تحديد بنيتها ثلاثية الأبعاد، تتمثل إحدى المزايا البارزة للرنين المغناطيسي النووي (NMR) مقارنةً بعلم البلورات بالأشعة السينية في إمكانية استخدامه للحصول على معلومات ديناميكية هامة. ويعود ذلك إلى اعتماد الإزاحة الكيميائية، أو اقتران ثنائي القطب، أو اقتران رباعي الأقطاب الكهربائية على اتجاه تردد الرنين المغناطيسي النووي اللحظي في بيئة جزيئية غير متجانسة. [ 44 ] فعندما يُغير الجزيء أو الجزء الذي يحتوي على النواة المرصودة بالرنين المغناطيسي النووي اتجاهه بالنسبة للمجال الخارجي، يتغير تردد الرنين المغناطيسي النووي، مما قد يؤدي إلى تغيرات في الأطياف أحادية أو ثنائية الأبعاد أو في أزمنة الاسترخاء، وذلك تبعًا لزمن الارتباط وسعة الحركة.

جمع البيانات في صناعة البترول

يُستخدم الرنين المغناطيسي النووي أيضًا في جمع البيانات في صناعة النفط لاستكشاف واستخراج النفط والغاز الطبيعي . بدأت الأبحاث الأولية في هذا المجال في خمسينيات القرن الماضي، إلا أن أولى الأجهزة التجارية لم تُطرح في الأسواق إلا في أوائل تسعينيات القرن نفسه. [ 45 ] تُحفر بئر في الصخور والطبقات الرسوبية، ثم تُنزل إليها معدات تسجيل الرنين المغناطيسي النووي. يُستخدم تحليل الرنين المغناطيسي النووي لهذه الآبار لقياس مسامية الصخور، وتقدير النفاذية من خلال توزيع أحجام المسام ، وتحديد سوائل المسام (الماء والنفط والغاز). عادةً ما تكون هذه الأجهزة مطيافية رنين مغناطيسي نووي منخفضة المجال .

يقيس تسجيل الرنين المغناطيسي النووي، وهو فرع من التسجيل الكهرومغناطيسي، العزم المغناطيسي المستحث لنوى الهيدروجين (البروتونات) الموجودة داخل المسام المملوءة بالسوائل في الأوساط المسامية (صخور الخزان). على عكس قياسات التسجيل التقليدية (مثل الصوتية، والكثافة، والنيوترونية، والمقاومة الكهربائية)، التي تتأثر بخصائص كل من مصفوفة الصخور والسوائل وتعتمد بشكل كبير على التركيب المعدني، فإن قياسات تسجيل الرنين المغناطيسي النووي تستجيب لوجود الهيدروجين. ولأن ذرات الهيدروجين تتواجد بشكل أساسي في سوائل المسام، فإن الرنين المغناطيسي النووي يستجيب بفعالية لحجم هذه السوائل وتركيبها ولزوجتها وتوزيعها، مثل النفط أو الغاز أو الماء. توفر سجلات الرنين المغناطيسي النووي معلومات حول كميات السوائل الموجودة، وخصائصها، وأحجام المسام التي تحتوي عليها. ومن هذه المعلومات، يمكن استنتاج أو تقدير ما يلي:

  • حجم (مسامية) وتوزيع (نفاذية) الفراغات المسامية للصخور
  • تكوين الصخور
  • نوع وكمية الهيدروكربونات السائلة
  • إنتاجية الهيدروكربونات

يُعدّ قياس زمن اضمحلال T2 هو القياس الأساسي في العينات اللبية والسجلية ، ويُعرض على شكل توزيع لسعات T2 مقابل الزمن عند كل عمق للعينة، عادةً من 0.3 مللي ثانية إلى 3 ثوانٍ. يُعالج اضمحلال T2 لاحقًا لحساب الحجم الكلي للمسام (المسامية الكلية) وأحجام المسام ضمن نطاقات مختلفة من T2 . أكثر الأحجام شيوعًا هي السائل المرتبط والسائل الحر. يُجرى تقدير النفاذية باستخدام تحويل مثل تحويل تيمور-كوتس أو تحويل نفاذية SDR. من خلال تشغيل السجل بمعايير اكتساب مختلفة، يصبح من الممكن تحديد نوع الهيدروكربونات مباشرةً وتعزيز الانتشار.  

مجسات التدفق لتحليل الطيف بالرنين النووي المغناطيسي

تم تطوير تطبيقات الرنين المغناطيسي النووي في الوقت الحقيقي في الأوساط السائلة باستخدام مجسات تدفق مصممة خصيصًا (مجموعات خلايا التدفق) والتي يمكنها استبدال مجسات الأنابيب القياسية. وقد أتاح ذلك تقنيات يمكن دمجها مع استخدام كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC) أو أجهزة إدخال العينات الأخرى ذات التدفق المستمر. [ 46 ] وقد استُخدمت مجسات التدفق هذه في العديد من عمليات المراقبة الآنية، مثل التفاعلات الكيميائية، [ 47 ] وتحلل الملوثات البيئية. [ 48 ]

التحكم في العمليات

دخلت تقنية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) الآن مجال التحكم في العمليات وتحسينها في الوقت الفعلي في مصافي النفط ومصانع البتروكيماويات . يُستخدم نوعان مختلفان من تحليل الرنين المغناطيسي النووي لتوفير تحليل فوري للمواد الأولية والمنتجات بهدف التحكم في عمليات الوحدة وتحسينها. تعمل مطيافات الرنين المغناطيسي النووي في المجال الزمني (TD-NMR) عند مجال منخفض (2-20  ميجاهرتز لمدة 1تُنتج مطيافات الرنين النووي المغناطيسي (FT-NMR) بيانات اضمحلال الحث الحر التي يمكن استخدامها لتحديدقيم محتوى الهيدروجين المطلقة، والمعلومات الريولوجية ، وتكوين المكونات. تُستخدم هذه المطيافات في التعدين ،وإنتاج البوليمرات ، ومستحضرات التجميل ، وصناعة الأغذية، بالإضافة إلى تحليل الفحم . وتُنتج مطيافات الرنين النووي المغناطيسي عالية الدقة (FT-NMR) التي تعمل في نطاق 60 ميجاهرتز مع أنظمة مغناطيسية دائمة محمية بيانات عالية الدقة .أطياف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (H NMR) لتدفقات المصافي والبتروكيماويات. يتم نمذجة التغيرات الملحوظة في هذه الأطياف مع تغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية باستخدام علم القياس الكيميائي لتقديم تنبؤات حول العينات المجهولة. تُقدَّم نتائج التنبؤ إلى أنظمة التحكم عبر مخارج تناظرية أو رقمية من المطياف.

الرنين المغناطيسي النووي للمجال الأرضي

في المجال المغناطيسي للأرض ، تقع ترددات الرنين المغناطيسي النووي ضمن نطاق الترددات الصوتية ، أو نطاقات الترددات المنخفضة جدًا والمنخفضة للغاية من طيف الترددات الراديوية . يُحفَّز الرنين المغناطيسي النووي في المجال الأرضي (EFNMR) عادةً بتطبيق نبضة مجال مغناطيسي مستمر قوية نسبيًا على العينة، وبعد انتهاء النبضة، يُحلَّل المجال المغناطيسي المتناوب منخفض التردد الناتج في المجال المغناطيسي للأرض بسبب اضمحلال الحث الحر (FID). تُستغل هذه التأثيرات في بعض أنواع أجهزة قياس المغناطيسية ، وأجهزة قياس طيف الرنين المغناطيسي النووي في المجال الأرضي، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. إن سهولة حمل هذه الأجهزة وانخفاض تكلفتها يجعلانها ذات قيمة كبيرة للاستخدام الميداني ولتدريس مبادئ الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي.

من أهم مميزات مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للمجال المنخفض (EFNMR) مقارنةً بالرنين النووي المغناطيسي عالي المجال، إمكانية ملاحظة بعض جوانب البنية الجزيئية بشكل أوضح عند المجالات والترددات المنخفضة، بينما لا يمكن ملاحظة جوانب أخرى قابلة للملاحظة عند المجالات العالية عند المجالات المنخفضة. ويعود ذلك إلى:

  • إن اقترانات J غير المتجانسة التي تتوسطها الإلكترونات ( اقترانات اللف المغزلي ) مستقلة عن المجال، وتنتج مجموعات من ترددين أو أكثر تفصل بينها عدة هرتز، والتي يمكن ملاحظتها بسهولة أكبر في رنين أساسي يبلغ حوالي 2  كيلو هرتز. "في الواقع، يبدو أن تحسين الدقة ممكن بسبب أوقات استرخاء اللف المغزلي الطويلة وتجانس المجال العالي السائد في EFNMR." [ 49 ]
  • يتم فصل الإزاحات الكيميائية التي تبلغ عدة أجزاء في المليون بوضوح في أطياف الرنين النووي المغناطيسي عالية المجال، ولكن الفواصل لا تتجاوز بضعة ملي هرتز عند ترددات الرنين النووي المغناطيسي للبروتون، لذلك عادة لا يتم فصلها.

الرنين النووي المغناطيسي في المجال الصفري

في الرنين المغناطيسي النووي في غياب المجال المغناطيسي، تُحجب جميع المجالات المغناطيسية بحيث لا تتجاوز شدة المجال المغناطيسي 1  نانو تسلا ، وتكون ترددات ترنح النوى قريبة من الصفر وغير قابلة للتمييز. في ظل هذه الظروف، لا تُحدد الإزاحات الكيميائية الأطياف المرصودة، بل تُحددها بشكل أساسي تفاعلات اقتران J، وهي تفاعلات مستقلة عن المجال المغناطيسي الخارجي. ولأن أنظمة الكشف الاستقرائي غير حساسة عند الترددات المنخفضة جدًا، في حدود ترددات اقتران J (عادةً ما بين 0 و1000  هرتز)، تُستخدم أنظمة كشف بديلة. وعلى وجه التحديد، تُعدّ مقاييس المغناطيسية الحساسة كاشفات جيدة للرنين المغناطيسي النووي في غياب المجال المغناطيسي. لا يوفر غياب المجال المغناطيسي أي استقطاب، ولذلك فإن الجمع بين الرنين المغناطيسي النووي في غياب المجال المغناطيسي وأنظمة الاستقطاب الفائق هو ما يجعل الرنين المغناطيسي النووي في غياب المجال المغناطيسي مرغوبًا فيه.

الحوسبة الكمومية

تستخدم الحوسبة الكمومية القائمة على الرنين المغناطيسي النووي حالات الدوران المغزلي للنوى داخل الجزيئات كوحدات بت كمومية . ويختلف الرنين المغناطيسي النووي عن التطبيقات الأخرى للحوسبة الكمومية في أنه يستخدم مجموعة من الأنظمة؛ في هذه الحالة، الجزيئات.

أجهزة قياس المغناطيسية

تستخدم أجهزة قياس المغناطيسية المختلفة تأثيرات الرنين المغناطيسي النووي لقياس المجالات المغناطيسية، بما في ذلك أجهزة قياس المغناطيسية بالبروتون (PPM) (المعروفة أيضًا باسم أجهزة قياس المغناطيسية بالبروتون )، وأجهزة قياس المغناطيسية من نوع أوفرهاوزر .

الرنين النووي المغناطيسي

يعتمد الرنين المغناطيسي السطحي (أو السبر بالرنين المغناطيسي) على مبدأ الرنين المغناطيسي النووي، ويمكن استخدام القياسات لتقدير محتوى الماء في المناطق المشبعة وغير المشبعة في باطن الأرض بشكل غير مباشر. [ 50 ] يُستخدم الرنين المغناطيسي السطحي لتقدير خصائص الخزانات الجوفية، بما في ذلك كمية المياه الموجودة فيها ، والمسامية ، والتوصيل الهيدروليكي .

مصنّعو معدات الرنين النووي المغناطيسي

تشمل الشركات المصنعة الرئيسية لأجهزة الرنين المغناطيسي النووي ما يلي:

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 هولت، دي آي؛ بهاكار، ب. (1997). "استقبال إشارة الرنين النووي المغناطيسي: الفوتونات الافتراضية والانبعاث التلقائي المتماسك" . مفاهيم في الرنين المغناطيسي . 9 (5): 277-297 . doi : 10.1002/(SICI)1099-0534(1997)9:5 < 277::AID-CMR1 > 3.0.CO ; 2-W .
  2. ↑ كوين، كايتلين م.؛ وانغ، مينغ تشانغ؛ بولينوفا، تاتيانا (2018). "الرنين المغناطيسي النووي للتجمعات والآلات الجزيئية الكبيرة عند 1 جيجاهرتز وما فوق: فرص تحويلية جديدة لعلم الأحياء البنيوي الجزيئي". الرنين المغناطيسي النووي للبروتين . طرق في علم الأحياء الجزيئي. المجلد 1688. الصفحات 1-35 . doi : 10.1007/978-1-4939-7386-6_1 . ISBN   978-1-4939-7385-9. PMC 6217836 . PMID 29151202 .  
  3. ↑ رابي، الثاني؛ زكرياس، الابن؛ ميلمان، س؛ كوش، ب. (1938). "طريقة جديدة لقياس العزم المغناطيسي النووي" . مجلة Physical Review . 53 (4): 318–327 . Bibcode : 1938PhRv...53..318R . doi : 10.1103/PhysRev.53.318 .
  4. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء 1944» . NobelPrize.org . مؤرشف من الأصل في 8 مارس 2021. تم الاطلاع عليه في 6 أبريل 2023 .
  5. ↑ فيلر، آرون (2009). "تاريخ وتطور وتأثير التصوير المقطعي المحوسب في التشخيص العصبي وجراحة الأعصاب: التصوير المقطعي المحوسب، والتصوير بالرنين المغناطيسي، والتصوير بالرنين المغناطيسي الانتشارية" . وقائع نيتشر . doi : 10.1038/npre.2009.3267.4 .
  6. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء 1952» . NobelPrize.org . مؤرشف من الأصل في 17 يونيو 2018. تم الاطلاع عليه في 6 أبريل 2023 .
  7. ↑ لي، دبليو. ديفيد؛ درازن، جيفري؛ شارب، فيليب أ.؛ لانجر، روبرت س. (2014). من الأشعة السينية إلى الحمض النووي: كيف تقود الهندسة علم الأحياء . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. الصفحات 161-162 . ISBN  978-0-262-01977-4.
  8. ↑ بانويل، كولين ن.؛ مكاش، إيلين م. (1994). "الفصل 7: مطيافية الرنين الدوراني". أساسيات مطيافية الجزيئات ( الطبعة الرابعة). ماكجرو هيل. الصفحات 214-242 . ISBN   0-07-707976-0.
  9. ↑ جيجيريش، بيترا (1 سبتمبر 2022). "مخاطر أقل، تكاليف أقل: أجهزة التحليل الطيفي المحمولة قد تصبح حقيقة واقعة قريبًا" . phys.org (بيان صحفي). جامعة ماينز. مؤرشف من الأصل في 17 فبراير 2024. تم الاطلاع عليه في 17 فبراير 2024 .
  10. 1 2 3 سي. كوهين-تانودجي، بي. ديو، إف. لالو، ميكانيكا الكم ، المجلد. 1، وايلي VCH، 1977.
  11. ↑ آر بي فاينمان، آر بي لايتون، إم ساندز، محاضرات فاينمان في الفيزياء ، المجلد 3.
  12. 1 2 أ. أبرغام، مبادئ المغناطيسية النووية ، الفصل 2، مطبعة أكسفورد كلارندون، 1961.
  13. ↑ مبدأ الحماية وإزالة الحماية. مؤرشف بتاريخ 26 سبتمبر 2011 في أرشيف الإنترنت . NMRCentral.com (أغسطس 2011)
  14. ↑ سوريان، ج. (1949). " الرنين المغناطيسي النووي وتأثير طرق الرصد" . العلوم الحالية . 18 (6): 203-204 . JSTOR 24212060. مؤرشف من الأصل في 22 مايو 2025. تم الاسترجاع في 18 مايو 2025 . 
  15. ↑ بلومبرجن، ن.؛ باوند، ر. ف. (1954). "تخميد الإشعاع في تجارب الرنين المغناطيسي". مجلة Physical Review . 95 (1): 8-12 . Bibcode : 1954PhRv...95....8B . doi : 10.1103/PhysRev.95.8 .
  16. 1 2 3 4 كريشنان، ف. ف.؛ مورالي، ن. (2013). "تخميد الإشعاع في تجارب الرنين المغناطيسي النووي الحديثة: التقدم والتحديات" . التقدم في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي . 68 : 41-57 . Bibcode : 2013PNMRS..68...41K . doi : 10.1016/j.pnmrs.2012.06.001 . PMC 3644564. PMID 23398972 .  
  17. ↑ Zheng, G.; Price, WS (2010). "كبح إشارة المذيب في الرنين المغناطيسي النووي". التقدم في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي . 56 (3): 267-288 . Bibcode : 2010PNMRS..56..267Z . doi : 10.1016/j.pnmrs.2010.01.001 . PMID 20633355 . 
  18. ↑ بلومبرجن، ن.؛ باوند، ر. ف. (1954). "تخميد الإشعاع في تجارب الرنين المغناطيسي". مجلة Physical Review . 95 (1): 8-12 . Bibcode : 1954PhRv...95....8B . doi : 10.1103/PhysRev.95.8 .
  19. ↑ ماو، شي-آن؛ يي، تشاو-هوي (1993). "أشكال خطوط إشارات الرنين المغناطيسي النووي المتأثرة بشدة بالإشعاع". مجلة الفيزياء الكيميائية . 99 (10): 7455-7462 . Bibcode : 1993JChPh..99.7455M . doi : 10.1063/1.465727 .
  20. ↑ بروكيرت، ب.؛ جينر، ج. (1995). "كبح التخميد الإشعاعي في الرنين المغناطيسي النووي في السوائل بواسطة التغذية الراجعة الإلكترونية النشطة". مجلة الرنين المغناطيسي، السلسلة أ . 113 (1): 60-64 . Bibcode : 1995JMagR.113...60B . doi : 10.1006/jmra.1995.1056 .
  21. ↑ أنكلين، سي.؛ ريندليسباخر، إم.؛ أوتينغ، جي.؛ لوكين، إف إتش (1995). "رأس مسبار مزود بخاصية كبح عامل الجودة القابل للتبديل لتخميد الإشعاع". مجلة الرنين المغناطيسي، السلسلة ب . 106 (2): 199-201 . رمز Bibcode : 1995JMagR.106..199A . doi : 10.1006/jmrb.1995.1034 .
  22. ↑ كاتينغ، ب.؛ تشين، جيه إتش؛ موسكو، د.؛ بودينهاوزن، ج. (2000). "تعويض التخميد الإشعاعي للنبضات الانتقائية في مطيافية تبادل الماء والبروتين" . مجلة الرنين النووي المغناطيسي الجزيئي الحيوي . 17 (4): 323-330 . doi : 10.1023/a:1008303322609 . PMID 11014596. مؤرشف من الأصل في 8 مارس 2021. تم الاسترجاع في 7 يناير 2026 . 
  23. ↑ باولي، جي إف؛ جاكي، بي يو؛ لانكين، دي سي (29 ديسمبر 2004). "التحليل الكمي بالرنين النووي المغناطيسي للبروتون: تطوير وإمكانات طريقة لتحليل المنتجات الطبيعية §". مجلة المنتجات الطبيعية . 68 (1): 133-149 . doi : 10.1021/np0497301 .
  24. ↑ لويد-جونز، جي سي؛ أورين، دي؛ ديكنسون، سي إل؛ وي، آر. (22 يونيو 2021). "التقدير السريع لـ T1 للرنين النووي المغناطيسي الكمي". مجلة الكيمياء العضوية . 86 (13): 9023-9029 . doi : 10.1021/acs.joc.1c01007 .
  25. ↑ الأوتومات الكمومية والحوسبة الكمومية (انظر أيضًا المراجع الواردة فيها)
  26. ↑ فاندرسايبن، ليفين إم كيه؛ ستيفن، ماتياس؛ بريتا، غريغوري؛ يانوني، كونستانتينو إس؛ شيروود، مارك إتش؛ تشوانغ، إسحاق إل. (2001). "التطبيق التجريبي لخوارزمية شور للتحليل الكمي باستخدام الرنين المغناطيسي النووي". مجلة نيتشر . 414 (6866): 883-887 . arXiv : quant-ph/0112176 . Bibcode : 2001Natur.414..883V . doi : 10.1038/414883a . PMID: 11780055. S2CID : 4400832 .  
  27. ↑ برايان م. تيشو (1996). "مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)" . جامعة براونشفايغ التقنية.
  28. ↑ "الإعلان عن المؤتمر السنوي الثاني للتطبيقات العملية للرنين المغناطيسي النووي في الصناعة (PANIC)" . الرنين المغناطيسي النووي للعمليات. 2014. مؤرشف من الأصل في 17 مايو 2017. تم الاطلاع عليه في 30 مارس 2017 .
  29. ↑ ديريك لوي (22 أكتوبر 2010). "أحدث التقنيات" .
  30. ↑ داليتز، فرانز؛ كوداج، ماركوس؛ مايوالد، مايكل؛ جوتهاوزن، جيزيلا (يناير 2012). "مراقبة العمليات والتفاعلات باستخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي منخفضة المجال". التقدم في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي . 60 : 52-70 . Bibcode : 2012PNMRS..60...52D . doi : 10.1016/j.pnmrs.2011.11.003 . PMID 22293399 . 
  31. ↑ ريوغو كوبو؛ كازوهيسا توميتا (1954). "نظرية عامة لامتصاص الرنين المغناطيسي" . مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية . 9 (6): 888-919 . Bibcode : 1954JPSJ....9..888K . doi : 10.1143/JPSJ.9.888 . مؤرشف من الأصل في 4 ديسمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 24 أبريل 2017 .
  32. ↑ "مطيافية تحويل فورييه بالرنين المغناطيسي النووي" مؤرشفة في 31 ديسمبر 2008 في Wayback Machine، محاضرة إرنست نوبل. (تتضمن إشارة إلى اقتراح جينر.)
  33. ↑ تحويلات فورييه ثنائية الأبعاد في PlanetMath .
  34. ↑ "الرنين النووي المغناطيسي متعدد النوى" . chem.ch.huji.ac.il. مؤرشف من الأصل بتاريخ 17 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 سبتمبر 2008 .
  35. ↑ "التطبيقات غير الطبية للرنين النووي المغناطيسي والتصوير بالرنين المغناطيسي". الرنين المغناطيسي ( الطبعة الحادية عشرة). يونيو 2017. مؤرشف من الأصل في 24 يناير 2022. تم الاطلاع عليه في 18 ديسمبر 2017 . 
  36. 1 2 فريمان، راي؛ روبرت، جيه بي (1991). "تاريخ موجز للرنين النووي المغناطيسي عالي الدقة" . في روبرت، جيه بي (محرر). الرنين النووي المغناطيسي في مجال مغناطيسي عالٍ جدًا . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر. ص 1-16 . doi : 10.1007/978-3-642-48814-6_1 . ISBN  978-3-642-48814-6.
  37. ↑ تايلور، ر.؛ هير، ج.ب.؛ عبد السادة، أ.ك.؛ كروتو، هـ.و. (1990). "عزل وفصل وتوصيف الفوليرين C60 و C70 : الشكل الثالث للكربون". مجلة الجمعية الكيميائية، الاتصالات الكيميائية . 20 (20): 1423-1425 . doi : 10.1039/c39900001423 .
  38. ↑ بيشر، أ. (2017). "أساليب المواد: الرنين المغناطيسي النووي في أبحاث البطاريات" . كيمياء المواد . 29 (1): 213-242 . Bibcode : 2017ChMat..29..213P . doi : 10.1021/acs.chemmater.6b03183 .
  39. ↑ كي، ب. (2009). "دراسات الرنين النووي المغناطيسي في الوقت الحقيقي للتغيرات الهيكلية في أقطاب السيليكون لبطاريات أيونات الليثيوم". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 131 (26): 9239-9249 . Bibcode : 2009JAChS.131.9239K . doi : 10.1021/ja8086278 . PMID 19298062 . 
  40. 1 2 بهاتاشاريا، ر. (2010). "ملاحظة الرنين المغناطيسي النووي في الموقع لتكوين البنى المجهرية لليثيوم المعدني في بطاريات الليثيوم". مجلة نيتشر ماتيريالز . 9 (6): 504-510 . Bibcode : 2010NatMa...9..504B . doi : 10.1038/nmat2764 . PMID 20473288 . 
  41. ↑ أويتز، م. (2017). "ديناميكيات الأيونات في الإلكتروليتات الصلبة لبطاريات الليثيوم: دراسة معدلات القفز وطاقات التنشيط من خلال الرنين المغناطيسي النووي لليثيوم في المجال الزمني" . مجلة الإلكتروسيراميك . 38 : 142-156 . doi : 10.1007/s10832-017-0071-4 .
  42. ↑ إيلوت، أ. ج. (2017). "دراسة نمو طبقة التفاعل بين الإلكتروليت الصلب والمعدن (SEI) ونفاذية الأيونات عند أسطح التفاعل غير المحفزة بين الإلكتروليت والمعدن باستخدام الرنين المغناطيسي النووي لليثيوم-7". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 122 (24): 12598-12604 . doi : 10.1021/acs.jpcc.8b01958 .
  43. ↑ هو، جيه زد (2018). "الرنين النووي المغناطيسي في الموقع وخارجه لأبحاث البطاريات". مجلة الفيزياء: المادة المكثفة . 30 (46): 463001. رمز Bibcode : 2018JPCM...30T3001Z . doi : 10.1088/1361-648X/aae5b8 . PMID 30277468 . 
  44. ↑ K. Schmidt-Rohr, HW Spiess, Multidimensional Solid-State NMR and Polymers, Ch. 2, Academic Press, 1994.
  45. ↑ كلاينبرغ، روبرت ل.؛ جاكسون، جاسبر أ. (1 يناير 2001). "مقدمة لتاريخ تسجيل الآبار باستخدام الرنين المغناطيسي النووي" . مفاهيم في الرنين المغناطيسي . 13 (6): 340-342 . doi : 10.1002/cmr.1018 . ISSN 1099-0534 . 
  46. ↑ هانر، آر إل؛ كيفر، بي إيه (2009). "مجسات التدفق لطيفية الرنين النووي المغناطيسي". موسوعة الرنين المغناطيسي . doi : 10.1002/9780470034590.emrstm1085 . ISBN 978-0-470-03459-0.
  47. ↑ فولي، د.أ.؛ بيز، إ.؛ كودينا، أ.؛ كولسون، ك.ل.؛ فاي، م.؛ كرول، ر.؛ بيرولي، د.؛ زيل، م.ت.؛ ماركيز، ب.ل. (2014). "أنبوب تدفق الرنين النووي المغناطيسي لمراقبة تفاعلات الرنين النووي المغناطيسي عبر الإنترنت". الكيمياء التحليلية . المجلد 86. الصفحات 12008-12013 . Bibcode : 2014AnaCh..8612008F . doi : 10.1021/ac502300q . PMID 25375410 .   
  48. ↑ وو، ب.؛ ماجومدار، ر.د.؛ ليساك، د.هـ.؛ بيسواس، ر.ج.؛ طباطبائي-أناراكي، م.؛ جين، أ.؛ يو، ش.؛ سونغ، ر.؛ لين، د.؛ هيلم، ب.أ.؛ كودينا، أ.؛ ديكر، ف.؛ سيمبسون، م.ج.؛ سيمبسون، أ.ج. (2021). "نحو رصد حركي فوري لمعالجة مياه الصرف الصحي: دراسة حالة لمعالجة مياه الصرف الصحي غير المركزة باستخدام ضوء الشمس والأوزون بتقنية الرنين المغناطيسي النووي للتدفق". مجلة الهندسة الكيميائية . 405 126696. Bibcode : 2021ChEnJ.40526696W . doi : 10.1016/j.cej.2020.126696 . S2CID 224971456 . 
  49. ↑ روبنسون وآخرون (2006). "مطيافية الرنين النووي المغناطيسي ثنائية الأبعاد في المجال المغناطيسي للأرض" (ملف PDF) . مجلة الرنين المغناطيسي . 182 ( 2): 343-347 . Bibcode : 2006JMagR.182..343R . doi : 10.1016/j.jmr.2006.06.027 . PMID 16860581. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 4 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 6 سبتمبر 2017 .  
  50. ↑ ليغتشينكو، أناتولي (2013). التصوير بالرنين المغناطيسي للمياه الجوفية . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-1-118-64947-3.

للمزيد من القراءة

درس تعليمي

الرسوم المتحركة والمحاكاة

فيديو

آخر
  • تشيان، سي.؛ باينز، أ.؛ مارتن، آر. دبليو. (سبتمبر 2007). "الدوران بزاوية غير سحرية". مجلة الرنين المغناطيسي . 188 (1): 183-189 . Bibcode : 2007JMagR.188..183Q . doi : 10.1016/j.jmr.2007.06.006 . PMID 17638585 . 
  • تسليط الضوء على الرنين المغناطيسي النووي: تقنية خالدة