Raman spektroskopisinin temellerini 1928 yılında Hintli bilim adamı C

... konulu sunumlar: "Raman spektroskopisinin temellerini 1928 yılında Hintli bilim adamı C"— Sunum transkripti:

1 Raman spektroskopisinin temellerini 1928 yılında Hintli bilim adamı C
Raman spektroskopisinin temellerini 1928 yılında Hintli bilim adamı C.V. Raman atmış ve bu buluşundan dolayı 1931 Nobel Fizik Ödülü’nü almıştır. Şiddetli monokromatik bir ışın ile etkileşen moleküller, ışığı absorplamıyorlarsa ışık saçılmasına (yön değiştirme) neden olurlar. Raman spektroskopisinin temeli, numunenin GB veya NIR monokromatik ışından oluşan güçlü bir lazer kaynağıyla ışınlanmasıyla, saçılan ışının belirli bir açıdan (genellikle 90 derece) ölçümüne dayanır. Raman Spektroskopisi maddenin her türlü halinin titreşim, dönme ve diğer düşük frekanslı durumlarının çalışıldığı spektroskopik bir tekniktir. Yapılan uyarma, analitin herhangi bir absorpsiyon pikinden yeterince uzakta olan bir dalga boyunda yapılır. Raman çizgilerinin şiddetleri, en fazla kaynak ışık şiddetinin % 0,001’i kadar olur. Raman spektroskopisinin değerlendirmesi, infrared spektroskopisindekiyle benzerdir. Çünkü Raman ve IR spektroskopisindeki pikler titreşim enerji seviyeleri arasındaki farktan kaynaklandığı için, spektrumlarda oluşan pikler aynı dalga sayısına sahip olup, yorumları aynıdır. Raman aynı zamanda, dedektör sistemlerinin gelişimi ile birlikte yeniden değer kazanan bir tekniktir. Raman spektroskopi çoğunlukla görünür, yakın infrared veya yakın ultraviolet bölgede bir lazerden gelen monkromatik bir ışığın (fotonun) elastik olmayan saçılması esasına dayanır.

2 Işık madde etkileşmesi iki şekilde olur: Elastik ve elastik olmayan saçılmalar. Elastik saçılmada saçılan ışın enerjisi gelen ışın enerjisi ile aynıdır. Bu tür saçılmalar Rayleigh saçılması olarak adlandırılır. Elastik olmayan durumda ise enerji fazla veya az olabilir. Bu tür saçılmalar da Raman saçılması olarak adlandırılır. Rayleigh saçılması olayında, Raman saçılmasına göre kez daha şiddetli bir saçılmış ışık oluşur. Ancak Rayleigh saçılması tek bir pik verir ve titreşim geçişleri hakkında bilgi vermez. Raman saçılması sırasında saçılan ışığın enerjisinde molekül ile etkileşen ışığınkine göre oluşan fazlalık veya azlık ışıkla etkileşen molekülün titreşim enerji düzeyleri arasındaki enerji farkları kadardır. Bu nedenle Raman saçılmasının spektroskopik incelenmesi ile de moleküllerin titreşim enerji düzeyleri hakkında bilgi edinilebilir. İşte bu tür bir spektroskopik yöntem Raman spektroskopisi adını alır.

3 Işının Saçılması Rayleigh Saçılması: Boyutları gelen ışığın dalga boyundan önemli ölçüde daha küçük olan molekül veya molekül yığınlarının oluşturduğu saçılmaya Rayleigh saçılması adı verilir; saçılan ışığın şiddeti ise frekansın (dalga boyu ile ters orantılı) dördüncü kuvvetine bağlıdır (-4). Bu yüzden mavi ışık, kırmızı ışıktan çok daha fazla saçılır. Rayleigh saçılması, gelen ışın dalga boyunun taneciklerin dalga boyundan daha küçük olması durumunda ortaya çıkar. Bu durum da ışığın geçirgen katılar, sıvılar ve gazlardan geçişinde ortaya çıkar. Rayleigh saçılması gökyüzünün neden mavi göründüğünü de açıklar. Yani kısa dalga boylu ışınların daha çok saçılmasından oluşan mavi renk, gök rengidir. Güneşten gelen ışınlardan mavi bölgedekiler daha fazla saçıldığı için, mavi ışınlar daha baskın olacak dolayısıyla gökyüzü mavi görünecektir. Saçılan ışığın büyük bir kısmının enerjisi, madde ile etkileşen ışığın enerjisine eşit olduğundan bu saçılma elastik bir saçılmadır. Işının madde içerisindeki parçacıklar (atom, iyon veya moleküller) tarafından bir anlık tutulması ve sonra bırakılmasına saçılma denir. Aslında ışın demetinin sadece küçük bir oranı saçılabilir. Tyndall Saçılması: Tyndall saçılması bir süspansiyondaki kolloitler tarafından ışığın saçılmasıdır. Saçılan ışın ölçümleri, polimer molekülleri ve kolloit parçacıklarının büyüklüğünü ve şeklini belirlemekte kullanılır.

4 Raman Saçılması: Elastik saçılma olayının yanı sıra saçılan ışığın çok az bir kısmı elastik olmayan saçılma da yapar (Raman saçılması). Numune, enerjisi hex olan monokromatik bir ışın demetiyle ışınlanmaktadır. Uyarma dalgaboyu, herhangi bir absorpsiyon bandından yeterince uzak olduğundan, uyarmanın sanal enerji düzeyinde olduğu varsayılabilir. Saçılan ışığın enerjisinde molekül ile etkileşen ışığınkine göre oluşan fazlalık veya azlık, ışıkla etkileşen molekülün titreşim enerji düzeyleri arasındaki enerji farkları kadardır (Raman kaymaları). Bu nedenle Raman saçılmasının spektroskopik incelenmesi ile de moleküllerin titreşim enerji düzeyleri hakkında bilgi edinilebilir.

5 Rayleigh ve Raman saçılımının esası
Molekül ile etkileşen ışın absorplanmıyorsa, üç farklı tipte saçılır: 1. Rayleigh saçılımı, esnek çarpışma (saçılan ışının enerjisi = gelen ışının enerjisi) 2. Stokes saçılımı, esnek olmayan çarpışma (saçılan ışının enerjisi = Rayleigh - DE) 3. Anti-stokes saçılımı, ″ ″ ″ (saçılan ışının enerjisi = Rayleigh + DE) En düşük uyarılmış elektronik hal Temel elektronik hal 1 2 3 Sanal haller Uyarma Rayleigh saçılması Raman Saçılması Anti-Stokes Stokes DE DE

6 Raman spektrumu şunları içerir;
• Rayleigh saçılmasına ait pik (uyarılma ile aynı dalga boyunda, yüksek şiddetli) • Stokes kayması (saçılması) ile ilgili bir seri pik (Daha uzun dalga boyunda, yani düşük enerjilerde, düşük frekanslı, daha şiddetli) • Anti-stokes kayması (saçılması) ile ilgili bir seri pik (Daha kısa dalga boyunda, daha yüksek enerjili, daha yüksek frekanslı, az şiddetli) Daha şiddetli çizgiler bulunduğundan, spektrumun sadece Stokes kısmı kullanılır. 488 nm’de Ar+ lazer kullanılarak alınmış CCl4’e ait spektrum

7 Raman Aktif IR Aktif IR Aktif
Etkileşme sonrası molekülün titreşim enerjisi artıyorsa (uyarılıyorsa) bu tür saçılan ışımalara Stokes hatları denir. Bunun tersi olan Raman kaymalarına ise, anti-Stokes hatları denir. Bir molekülün Raman saçılması yapması için etkileşme sırasında polaritesinde değişim olması (dipol momentinde değil) gerekir. Sonuçta molekülün polarizlenebirliğinde net bir değişim olması gerekir. Buna göre IR inaktif olan maddeler, Raman aktif olabilirler. Simetrik gerilme Raman Aktif Asimetrik gerilme IR Aktif Eğilme IR Aktif + -

8 CO2 molekül için titreşim modları:
Bir molekülün Raman aktif olabilmesi için bir bağın polarlanabilme yeteneği iki çekirdek arasındaki uzaklıkla değişmesi gerekir. IR absorpsiyonunda ise molekül titreşirken dipol momentin yani yük dağılımının değişmesi gereklidir.

9 Raman ve IR’de simetrik ve asimetrik gerilimlerin karşılaştırılması:
Simetrik titreşim: Birim alandaki yük dağılımı değiştiği için Raman aktiftir. Asimetrik titreşim: Birim alandaki yük dağılımı değişmediği için IR aktiftir.

10 CO2’in IR ve Raman Spektrumu:
4000 2000 % Transmittans İnfrared spektrumu 4000 2000 Dalga sayısı (cm-1) Raman spektrumu Saçılma şiddeti

11 RAMAN ve IR AKTİF MODLAR
İki atomlu Üç atomlu Eğilme

12 λ seçici Kaynak Numune λ seçici Numune Kaynak Cihaz:
Raman spektroskopisinde kullanılan cihaz, floresans spektroskopisinde kullanılana çok benzer. IR Absorbsiyon: λ seçici Numune Kaynak 4000 2000 % Transmittans Dalga sayısı (cm-1) Raman saçılma: λ seçici Kaynak Numune 4000 2000 Dalga sayısı (cm-1) Saçılma yüzdesi

13 Gelen ışın Saçılan ışın Numune

14 Işın kaynağı: Raman saçılmasının şiddeti az olduğu için uyarma kaynağından çıkan ışının şiddetli olması gerekir. Ayrıca spektrumun karışık bir hal almaması için kaynaktan çıkan ışın da monokromatik olmalıdır. Bunun için şiddetli ışın yayan lambalar kullanılabilir, fakat monokromatör kullanılınca şiddetleri azalır. Bu yüzden Raman spektroskopisinde en uygun ışın kaynağı oldukça dar dalga boylarında ya da tek bir dalga boyunda ışıma yapan lazerlerdir: (Lazer: Light amplification by stimulated emission of radiation) Ar+ iyonu: 488,0 – 514,5 nm Kr+ İyonu: 530,9 – 647,1 nm He-Ne: 632,8 nm Diyot lazerler: nm UV bölgede çalışan, sıvı azot soğutmalı CCD dedektör Dedektör: Günümüzde dedektör olarak, soğutmalı CCD (charge coupled device-yük eşleşmiş cihaz) dedektörler kullanılmaktadır.

15 Gelen ışın bir NIR, GB veya UV olabilir, fakat kaynak her zaman bir lazerdir. Bunun nedeni yüksek şiddette uyarıcı ışın sağlayıp, yüksek şiddette Raman saçılması elde etmek içindir.

16 Analitik Uygulamalar Raman spektroskopisi yöntemi ile katı, sıvı ve gaz örnekler incelenebilir. Raman spektroskopisi ile daha çok kalitatif analiz yapılır. Kantitatif uygulama hemen hemen hiç yoktur. Raman spektroskopisinde piklerin şiddeti polarizlenme hızları ile orantılı olduğundan IR’de pik vermeyen fonksiyonel gruplar, Raman’da pik verebilirler. Bir molekülün Raman ve infrared spektrumlarının birlikte değerlendirilmesi ile nitel analiz kolaylaşır. CS2, CCl4, CHCl3 gibi organik çözücüler kullanılabildiği gibi IR’de kullanılamayan su da çözücü olarak kullanılabilir. Su moleküllerinin neden olduğu Raman hatları oldukça zayıftır. Raman spektroskopisi yönteminin IR spektroskopisi yöntemine göre bir diğer avantajı ise aynı aletle hem yakın-IR hem orta-IR, hem de uzak-IR bölgelerindeki bilgilerin elde edilebilmesidir. Bilindiği gibi, IR spektroskopisinde bu üç bölge için birden çok spektrometrenin kullanılması gerekir.

17 Su Raman Orta-IR Yakın-IR H2O Absorbans 0.0 0.5 1.0 2.0
Dalga sayısı (cm-1) 8000 6000 4000 3000 2000 1000 Raman Orta-IR Yakın-IR Siddet

18 Aseton Raman Orta-IR Yakın-IR CH3 C=O Dalga sayısı (cm-1) 3000 2000
1000 Şiddet 8000 6000 4000 Absorbans 0.0 0.5 1.0

19 Rezonans Raman Saçılması
Herhangi bir analitin elektronik absorpsiyon pikine oldukça yaklaşan dalga boylarıyla uyarılması sonucu, Raman piklerinin şiddetleri 102 ile 106 kat kadar kuvvetlenir. Böylece duyarlılık 10-8 M’a kadar düşebilir. Eğer molekülün saçacağı ışığın enerjisi molekülün absorplayacağı fotonun enerji değerine çok yakın ise, saçılan ışığın şiddetinde büyük bir artış olur. Bunun temel nedeni, saçılan ışığın şiddetinin saçılan ışığın frekansının dördüncü kuvveti ile orantılı olarak artmasıdır. Bu yönteme Rezonans Raman Spektroskopisi (RRS) denir. Normal Raman spektroskopisi ile ancak saf sıvı ve katılar ile çok derişik (0,10 M) çözeltilerden sinyal alınabilirken, Rezonans Raman Spektroskopisi ile 10-6 M gibi çok seyreltik çözeltilerle bile Raman kaymaları ölçülebilir. Yöntemde gerçekleştiren bu duyarlık artışına ek olarak, bu tür bir uygulamada yöntemin seçimliliği de artar, çünkü Rezonans Raman spektrumunda sadece ışığı absorplayan kromofor grubun rol aldığı titreşimlere ait bantların şiddeti artar. Böylece, çok karmaşık bir yapıya sahip moleküllerin sadece kromoforlarla ilgili kaymaları gözlenir ve bunların Raman spektrumları daha basit bir biçimde elde edilir.

20 Rezonans Raman spektroskopisi, floresans özelliği olan moleküller için uygun bir yöntem değildir. Floresans ışıması, Raman saçılmasına göre çok daha şiddetli olduğundan Raman hatları ile örtüşür ve ölçümü güçleştirir. Floresans özelliğine sahip moleküllere Raman spektroskopisinin uygulanabilmesi için Stokes hatları yerine anti-Stokes hatlarının ölçülmesi gerekir, çünkü bir moleküle ait anti-Stokes hattı o molekülün floresans bandından daha büyük frekanslardadır ve bunlar birbirleri ile örtüşmez. Anti-Stokes hatları normal yoldan ölçüldüğü zaman, çok zayıf hatlar oldukları için genellikle kullanılmazlar. Işımasız durulma

21 RAMAN SPEKTROSKOPİSİ AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI
1. Maddenin her üç hali içinde uygulanabilir. 2. Hiçbir numune hazırlama işlemine gerek yoktur. 3. Her bir maddeden elde edilen spektrum benzersiz olduğu için maddelerin tanınması için kullanılabilir. Molekül üzerinde bozucu etkisi yoktur. Vakum ortamında çalışmayı gerektirmez. Kısa zaman aralıklarında Raman spektrumları kaydedilebilir. Sulu ortamlarda spektrumlar kolayca kaydedilebilir. IR de bu özellik yoktur. Cam kaplar kullanılabilir. (Normal Raman) Fiber optik kablolar kullanılarak spektrum alınabilir. Hızlı analiz sağlar. DEZAVANTAJLARI: 1. Metaller ve alaşımlar için kullanılamaz. 2. Raman etkisi çok zayıftır. Bu yüzden düşük duyarlığa sahiptir, bu durumda düşük konsantrasyondaki numune spektrumu alımında zorluk yaşanır. Bunun için Rezonans Raman tekniği daha uygundur. 3. Bazı maddelerin floresans özelliği, spektrum almayı engelleyebilir. 4. Renkli numuneler Lazer ışığını absorplar ve yanar. 5. Pahalıdır.

22 RAMAN VE IR Raman ve IR her ikisi de titreşim geçişleri içerirler. Bazen her ikisinden elde edilen bilgiler birbirinin tamamlayıcısıdır. Fakat Raman ve IR her zaman aynı değildir. Çünkü temel geçiş prensipleri aynı değildir. Farklı spektroskopik olaylardan oluşurlar.

23

24 RAMAN VE IR NASIL ÇALIŞIR
Bir molekülün IR spektrumu verebilmesi için bir titreşimin molekülün net dipol momentinde bir değişiklik oluşturması gerekir. Eğer IR ışını frekansı molekülün titreşim frekansına eşitlenirse molekül ışını absorplar ve molekülün titreşim şiddetinde bir değişme meydana gelir. Bir molekülün bir fotonla Raman türü saçılma etkileşmesine girebilmesi için de molekülün titreşimi sırasında etkileştiği fotonun elektrik alanı tarafından periyodik ve fotonun frekansına eşit frekanslı olarak polarlanabilmesi yani periyodik ve geçici bir dipol momentinin oluşması (anlık dipol) gereklidir. Görüldüğü gibi Raman ve IR için piklerin oluşum kaynağı, farklı titreşim modlarıdır. Birinde dipol momentlerde değişme aranırken, diğerinde polarlanabilme özelliğinde bir değişme olması gerekmekte ve bu durumları itibarı ile bu iki teknik tüm titreşim modlarını temsil ettiklerinden bir birinin tamamlayıcısı iki teknik olarak bilinirler. N2, O2 gibi moleküllerde hangi titreşim modu olursa olsun, dipol momentlerinde bir değişiklik meydana gelmez. Dolayısıyla bu tür moleküller, Raman aktif, IR inaktif olacaklardır. Ayrıca sulu çözeltiler Ramanla çalışılabilirken, IR ile çalışılamaz. Raman saçılmasında, cam veya kuvartz hücrelerle ölçümler yapılabilir. IR da ise atmosfere duyarlı NaCl, KBr gibi geçirgen materyaller kullanılmak zorunludur.

25 Seçicilik Kuralı Dipol momentte değişim Polarlanabilme özelliğinde değişme Hangi moleküllerde iyidir. Apolar moleküllerde polar moleküllerde Su Zayıf absorpsiyon Çok güçlü absorpsiyon Normal spektral bölge Signal yüksekliği İyi Çok zayıf

26 Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) Spektroskopi
Elektronların spin (kendi ekseni etrafında dönme) özelliği olduğu gibi bazı çekirdeklerin de spin özellikleri vardır. NMR spektroskopisi, şiddetli bir manyetik alan içinde çekirdeklerin MHz (75 m - 0,33 m) aralığındaki radyo frekansı aralığındaki elektromanyetik ışınların absorpsiyonuyla dönme enerji seviyelerine uyarılmalarının ölçümüne dayanır. NMR spektroskopisinin temelleri, 1924’te Pauli tarafından atılmıştır. Pauli, bazı çekirdeklerin bir manyetik alana maruz kalınca, spin hallerinin enerjilerinin yarılacağını öne sürdü. Enerji yarılmasının bir sonucu olarak, çekirdeklerin elektromanyetik ışınları absorpladıklarını ilk gösterenler ise Bloch ve Purcell oldu. Klasik NMR spektroskopisinde fotonun frekansı sabit tutulur, manyetik alanın değeri değiştirilerek rezonans gerçekleştirilir. FT-NMR spektroskopisinde ise manyetik alan değeri sabit tutularak radyo dalgası fotonunun frekansı değiştirilir. IR spektroskopisi daha çok bir molekülde bulunan fonksiyonel grupların varlığını ortaya koyar. Kütle spektroskopisi ise, molekülün kapalı formülünü verir. Oysa bir molekül için yapı tayini, NMR spektroskopisi ile büyük ölçüde yapılabilmektedir.

27 Rezonans Olayı NMR spektroskopisinin temeli, çekirdeğin manyetik özelliğine dayanır. Bilindiği üzere çekirdekte proton bulunduğundan, çekirdek pozitif (+) yüklüdür. Çekirdek kendi ekseni etrafında döndüğünden, pozitif yük de bu eksen etrafında döner. → Böylece çekirdek dönerken elektrik akımı, dolayısıyla manyetik bir alan oluşur. Oluşan manyetik alanın ise belli bir manyetik momenti (m) vardır. (Momentum, bir nesnenin kütlesi ve hızının çarpımıdır: p = kütle . hız) Ayrıca kendi ekseni etrafında dönen çekirdeğin açısal momentumu da (p) vardır: m = γ . p (γ : Jiromanyetik sabiti. Her bir element için ayrı değere sahiptir.) Açısal momentum (p) kuvantlaşmıştır ve değeri h/2p’nin tam veya buçuklu katlarına eşittir. + m

28 Belli bir çekirdek için, spin bileşenlerinin alabileceği değer sayısı, yani p vektörünün mümkün yönelme sayısı, spin kuvantum sayısı ile (I) gösterilir. Çekirdek, yani p, manyetik kuvantum sayısı (m = 2I + 1) kadar yönlenebilir. Ancak, dıştan herhangi bir manyetik alan uygulanmazsa yönelmelerin hepsi özdeş enerjide olur. Bir elementin NMR spektroskopisinde gözlenebilmesi, spin kuvantum sayısına (I) bağlıdır. Proton ve nötron sayıları çift sayılı olan çekirdeklerin (4He, 12C, 16O gibi) net spini yoktur (I = 0). Dolayısıyla bunlar NMR’de aktif değildirler. Eğer çekirdekteki proton veya nötron sayısı tek sayılı ise, spin kuvantum sayısı (I) yarımlı değer alır. Buna örnek olarak, spini (I) 1/2 olan 1H, 13C, 19F ve 31P çekirdekleri verilebilir. 1H için manyetik kuvantum sayısı (m), m = (2I + 1) = (2.1/2 + 1) = 2 olur. Yani, bir manyetik alandaki proton, 2 farklı enerji seviyesine yarılır (yönlenir). Manyetik kuvantum sayıları, +I ve –I değerleri arasındaki bütün değerleri alacağı ve Dm = 1 kuralları gereği protonun manyetik kuvantum sayıları, m = +1/2 ve m = -1/2 olabilir.

29

30

31 Nj=1.106 kabul edilirse,

32 NMR’de sinyalin şiddeti, iki enerji seviyesi arasında dağılan proton sayısının oranına bağlıdır. Boltzman eşitliğine göre bu oranı değiştirebilecek iki parametre vardır: Sıcaklık (T) ve manyetik alan şiddeti (B0). Buna göre sıcaklık düşürülürse alt seviyede bulunan proton sayısı artacaktır. Ancak numune soğutulduğunda, numune içerisinde var olan dinamik dengeler (bağ dönmesi, halka çevrilmesi gibi) statik hale geleceğinden sıcaklığın düşürülmesi uygun bir yöntem değildir. Sonuç itibariyle sinyalin şiddetini yükseltmek için manyetik alan şiddeti artırılır. Günümüzde mevcut NMR spektrometrelerin fiyatları, manyetik alan şiddetine göre değişmektedir. Örneğin, 60 MHz’lik (1.4 Tesla) bir NMR cihazı $ iken, 400 MHz’lik bir cihaz ise $ civarındadır. Durulma Olayları Çekirdek, uygun frekanslı bir ışına maruz kalırsa, düşük enerjili çekirdeklerin sayıca fazla olması sebebiyle net bir absorpsiyon (rezonans) olur. Rezonans sonucu enerji seviyelerinin populasyonu değişir. Sistemdeki dengenin tekrar sağlanabilmesi için, üst enerji seviyelerine geçmiş protonların, fazla enerjilerini vererek tekrar eski seviyelerine dönmeleri gerekir (durulma). NMR’de durulma ışımalı olmaz.

33 İki çeşit durulma vardır:
1. Spin-Örgü Durulması (T1) 2. Spin-Spin Durulması (T2) Çözelti içerisindeki her türlü parçacığa örgü (atom, molekül vs.) denir. Termal hareketler sonucu bu moleküller çeşitli manyetik alanlar oluştururlar. Bu alanların bazılarının frekansı, çekirdeğin kendi ekseni etrafında dönme (presesyon) frekansına uyduğunda fazla enerji örgüye verilir (spin-örgü durulması). Durulma süresi sıvılarda 10-2 ile 102 saniye kadardır. Spinler arasındaki ikinci bir etkileşim ise, spin-spin durulmasıdır. Bu safhada bilinmesi gereken tek nokta, rezonans olan bir protonun, tekrar rezonans olabilmesi için, fazla enerjisini çevreye vererek tekrar eski konumuna gelmesi şartıdır. Durulma zamanı uzun olduğu zaman, pikler keskin ve dar, durulma zamanları kısa olduğu zaman, pikler daha geniş olur. Çözücülerde olabilecek paramanyetik herhangi bir safsızlık durulma zamanlarını kısaltır.

34 NMR Spektroskopisinin Çalışma Prensibi
NMR spektrometreleri dört ana bölümden oluşur: 1. Mıknatıs Radyo frekans alıcısı (dedektör) 2. Radyo frekans (RF) vericisi Kaydedici Bugün, modern cihazlarda FT-yöntemi uygulanmaktadır. Bir FT-NMR cihazında, protonların rezonansı için gerekli tüm frekanslar aynı anda numune üzerine gönderilir ve tüm protonlar aynı anda rezonansa getirilirler. NMR’de en önemli kısım mıknatıstır. Güçleri 20 Tesla’ya kadar çıkan mıknatıslar süper iletkenlerden (Nb/Ti gibi) yapıldığı için açığa çıkan ısı nedeniyle artan direnci sıfıra yaklaştırmak için sıvı helyum (4 K) ve sıvı azot ile soğutma yapılır. Tüp içerisindeki numune, manyetik alanda var olan inhomojenliğin elimine edilebilmesi için sürekli döndürülür.

35 Çevresel Etkiler 1. Kimyasal Kayma: Jiromanyetik sabiti, her element için ayrı bir değere sahiptir. Dolayısıyla protonlar farklı çevrelerde de olsa jiromanyetik sabiti değişmez. Buna göre bir moleküldeki bütün protonların tek bir frekansta rezonans olmaları gerekirdi. Böyle bir durumda, NMR spektroskopisi, molekülde sadece proton olup olmadığı hakkında bilgi veren bir yöntem olurdu. Farklı protonların aynı frekansta rezonans olmaması gerçeği, NMR’nin gelişmesine yardımcı olmuş en önemli faktördür. Protonlar, bağlı oldukları atomlara ve uzaydaki konumlarına göre farklı bölgelerde rezonans olurlar. Çünkü protonların etkisi altında bulundukları manyetik alan, dış manyetik alandan farklıdır. Çekirdeklerin çevresinde bulunan elektronlar, oluşturdukları sekonder manyetik alanlarla, dış manyetik alanın etkisini azaltır veya artırırlar. Elektronların oluşturduğu manyetik alanın yönü, dış manyetik alanın yönü ile zıt olduğunda, çekirdek etrafındaki dış manyetik alanın etkisi azalır (perdeleme). Bazı durumlarda ise sekonder manyetik alan ile dış manyetik alan aynı yönde olabilir (antiperdeleme).

36 Sonuç olarak, protonlar çevredeki elektron yoğunluğuna bağlı olarak farklı bölgelerde rezonans olurlar (kimyasal kayma). Örneğin metil asetat molekülünde iki metil grubu vardır. Bunların biri karbon atomuna, diğeri ise daha elektronegatif olan oksijen atomuna bağlı olduğu için, farklı yerlerde rezonans olurlar. Görüldüğü gibi daha az perdelenen protonların pikleri spektrumda sola doğru gidildikçe (düşük alan) oluşmuştur. NMR’de kullanılan çözücülerin ise proton (1H) içermemesi gerekir (CDCl3 gibi).

37 NMR’de tetrametilsilan (TMS) standart olarak kullanılır
NMR’de tetrametilsilan (TMS) standart olarak kullanılır. Çünkü silisyum karbona göre daha düşük elektronegatifliğe sahip olduğundan, TMS protonları karbona göre daha çok (yüksek alanda) perdelenir. Organik moleküllerin protonları genelde daha düşük alanda (TMS sinyalinin solunda) perdelenir (pik verir). Bu yüzden TMS protonlarının sinyalleri sıfır olarak tanımlanır (standart). Herhangi bir protonun rezonans frekansının, standartın (TMS) rezonans frekansına olan uzaklığına kimyasal kayma denir. Spektrumunda kimyasal kayma (yatay eksen) milyonda kısım (ppm) olarak verilir.

38 Spektrumda eşdeğer protonlar eşit kimyasal kayma gösterir.

39 Her pikin altındaki alan proton sayısı ile doğru orantılıdır.

40 Bir çekirdek etrafında elektron yoğunluğu ne kadar fazla ise (elektron verici bir sübstitüent bağlanması) meydana gelecek olan alan şiddeti de fazla olacağından, kimyasal kayma yüksek alanda gözlenecektir. Tam tersi durumda, bir çekirdek etrafında elektron yoğunluğu ne kadar azalır ise (elektron çekici bir sübstitüent bağlanması) kimyasal kayma aşağı alanda gözlenecektir. Benzen halkasının tüm protonları eşdeğer olduklarından 6 protonda δ=7,27 ppm de rezonans olur. Fakat halkaya e çekici bir sübstitüent bağlandığı zaman, halkadaki e yoğunluğu azalacağı için protonların perdelenmesi azalır. Bu nedenle tüm protonların kimyasal kayma değerleri düşük alana kayar.

41 2. Spin-Spin Etkileşmesi:
Çekirdeklerin spin enerji düzeyleri bu çekirdeklere komşu ve spini olan başka çekirdekler tarafından değişikliğe uğratılır. Spin-spin etkileşmesi sonucu belli bir çekirdeğin NMR piki, I spin değerine sahip n tane komşu (en fazla 3 bağ uzaklıktaki) çekirdek tarafından (2nI + 1) kısma yarılır ve bu pik yarılmasına spin-spin yarılması denir. Ancak, manyetik ve kimyasal çevre yönünden eşdeğer çekirdekler birbirinin NMR piklerini etkilemez.

42 -CH2 protonları, CH3 grubundaki protonlardan etkilenip kuvartet verir.
Örnek: CH3-CH2-OH -OH bağındaki H çekirdeği hareketli olduğu için komşu çekirdeklerden etkilenmez ve singlet verir. -CH2 protonları, CH3 grubundaki protonlardan etkilenip kuvartet verir. -CH3 protonları, CH2 grubundaki protonlardan etkilenip triplet verir. OH CH3 CH2