הסיבות להתרחבות הסיגנלים

בדרך כלל, דוגמאות נוזליות (הומוגניות ודיאמגנטיות) נותנות סיגנלים חדים בספקטרום התמ"ג. זאת למרות הידודים דו-קוטביים גדולים ואניזוטרופית היסט כימי שהיה, חרף הגלגול המולקולרי האיזוטרופי המהיר, מרחיב את הספקטרום עד כדי כך שלא היה אפשרות לראותו בספקטרומטר תמ"ג רגיל (תרשימים 1, 2).

ספקטרומים הפרוטון והפחמן של מוצקים במצבי איסוף רגילים מראים סיגנלים רחבים בדרך כלל מתחום היסט הכימי שלהם ורחבים מדי מכדי לראותם בספקטרומטר תמ"ג רגיל.

במצבים בין נוזלים ומוצקים כאשר הנוזל צמיג או תקריש ו/או המולקולה גדולה (כמו חלבון) נראה הרחבה פחותה.

ניתן להסיר כמעט לחלוטין את ההשפעות של אניזוטרופיית היסט כימי וצימוד דו-קוטבי חד-גרעיני מגרעינים בעל ספין חצי (פרוטון, פחמן, וכו') על ידי סיבוב מהר מאוד סביב ציר הקסם (°54.736 מהאנכי). אולם לא תמיד אפשר להסיג את מהירות הסיבוב הנדרש וצריכים לשלב הפרת צימוד מורכב מפולסים רבים בכוח גבוה עם סיבוב מהר סביב ציר הקסם.

פרוטון

ניתן להפחית את רוחב קו הפרוטון עם סיבוב סביב ציר הקסם (MAS) (תרשים 3). אומנם, כדי להסיר צימוד תופעות דו-קוטבי חד-גרעיני בספקטרום תמ"ג פרוטון של מוצקים, נדרש מהירות סיבוב קיצוני של כ-70 קילוהרץ ו/או בפולסים בכוח גבוה מאוד בזמן האיסוף. השיטה נקרה CRAMPS (סיבוב משולב עם סידרת רב-פולס) ובדרך כלל דורש מגברים לכוח גבוה ומגנט עם קדח רחב. למרות זאת ניתן לקבל תוצאות סבירות בגרסה wPMLG5  (אפנון פאזה לי-גולדברג מחולן בחמש שלבים) של CRAMPS שמסיגה רוחבי קו של 200 הרץ (תרשים 4). שים לב שהמתילים האיזופרופילים מפוצלים ב-‎0.5 ppm‌ בספקטרום wPMLG5 מאחר שהסיבוב שלהם קפוא בגביש.

גרעינים בעלי ספין חצי (כמו פחמן)

לגרעינים בעלי ספין חצי, תמ"ג ¹³C, ¹³C, ¹⁵N, וכו', הצימוד הדו-קוטביהחד-גרעיני בדרך כלל לא משמעותי בגלל שכיחות נמוכה או בידוד הגרעינים. ניתן להפר את הצימוד הבין-גרעיני בכוח גבוה. אבל מחמת זמני הרלקסציה הארוכים מאוד של סיגנלים (חוץ מפרוטון) במצב מוצק, נדרשות השהיות לצורך רלקסציה של כמה דקות בין הפולסים. יוצא מן הכלל ניתן לציון הוא אדמנטן (תרשים 5) משום שהוא גביש פלסטי ועבורו השהיית רלקסציה של חמש שניות מספיקה.

כאשר יש פרוטונים בסביבה (על למרחק של כמה קשרם) הרגישות מוגבר בהרבה וההשהיות הרלקסציה מוקטנות בהרבה לאלה של פרוטון בעירור הפרוטון והפחמן בו זמנית עם פולסים לנעילה ספין מותאמים בתהליך שנקרה הצבת קיטוב שפועל דרך צימוד דו-קוטבי. שיטה זו משולב עם סיבוב בציר הקסם במהירות בין 5 ו-15 קילוהרץ כדי לתת ספקטרום בהפרדה גבוה. השיטה נקרה סיבוב בציר הקסם עם הצלבת קיטוב (CP-MAS). אבל שיטה זו משאיר פסי צד של סיבוב וניתן להפר אותם בעזרת סדרות פולסים SELTICS (השמדת פסי צר בהפסקה אריית של היסט כימי) או TOSS (הפרת פסי צד מושלמת).

כולסטריל אצטט נותן דוגמה טובה של ספקטרום (תרשים 6) CP-MAS עם סיגנלים צרים עד כדי 15 הרץ. שים לב שכל סיגנלי מצב המוצק מפוצלות ביחס לספקטרום של התמיסה. זה מעיד על קיום שתי קונפרומציות שונות במצב מוצק.

ספקטרום ה-CP-MAS לא תמיד מופרד היטב כמו זה לעיל אבל יכול לתת מידע שימושית. לדוגמה הצבע מחילזון כהה קוצים (צבע התכלת) שמרכיבי הצבע הפעילים שלו הם אינדיגו ונגזרות ברומו של אינדיגו. הדוגמה היא תוצר מסחרי ולא מתמוסס לגמרי ולכן רובו לא מופיע בספקטרום של התמיסה. שילוב ¹³C (תרשים 7), ¹⁵N (תרשים 8), ו-³¹P (תרשים 9) CP-MAS מראה שרוב החומר הוא זרחתיים אורגניים וחלבונים.

מסנני רלקסציה

זמני הרלקסציה (תפוגה) של פרוטונים במצבמוצק תלויים מאוד בדרגת הסדר בדוגמה. דוגמאות החסרות צורה (amorphous) נפוגים מהר יותר בדרך כלל ביחס לדוגמאות גבישיים. זה שימושי לחקירת חומרים בלתי-אחידים כולל דוגמאות מיקרו- וננו-הטרוגניים כמו מטריצת ננו-חלקיקים, מצעים נקבוביים וקופולימרים גושיים. להדגים את השיטה, ערבבו דם חילזון שהוא חסר צורה עם סוכרוז גבישי. מסנן לזמן רלקסציה סיבובי, T_1ρ, ארוך בפועל מחסיר את הסיגנלים מהחומר החסר צורה ומשאיר רק את הספקטרום של סוכרוז. מסנן לרלקסציה אורכי, T₁, קצר מוריד את הסיגנלים של הסוכרוז בצורה ניקרת וניתן להוריד אותם לגמרי עם חיסור השפקרטום המסונן T_1ρ (תרשים 10).

מצב מוצק דו-מימדי

כמו בנוזלים, ניתן לבצע תמ"ג דו-מימדי במצב מוצק. בדרך כלל מסיגים התאמה בין גרעינים במצב מוצק בעזרת צימוד דו-קוטבי. תווך ההתאמה תלוי במשך-המגע. משך-המגע של כ-50 מיקרושניות נותן התאמות של קשר אחר (תרשים 11) ואילו משך מגע ארוך יותר (1 עד 10 מיקרושניות) נותן גם התאמות לתווך ארוך יותר (תרשים 12).

הגרעין המתואם אינו חייב להיות פחמן וניתן לזהות התאמות לתווך ארוך יותר מאלה שאפשר לראותם במצב נוזל. לדוגמה עבור סיליקה בסול-ג'ל ניתן לראות התאמות מפרוטון . לצורן.

הקווים בספקטרום פרוטון במצב מוצק סדרי גודל רחב יותר מאשר פיזור היסט הכימי שלהם. אולם הרוחב עבור כל פרוטון שונה ומעיד על קשיחות הסביבה שלהם. ניתן להשתמש בספקטרום דו-מימדי של קווים רחבים (CPWISE) לראות את הקווים המופרדים לפי ההיסט הכימי של פחמן (תרשים 13).

גרעינים ארבע-קוטביים

לגרעינים ארבע-קוטביים, רוחב הקו לא מצטמצם כל כך כמו לגרעינים בעל ספין חצי כתוצאה מסיבוב בציר הקסם בלבד. ספקטרומים ארבע-קוטביים של גרעינים בעלי ספין שלם וחצי (3/2, 5/2, 7/2 ו-9/2) מורכב משני סוגים נפרדים של העברה: מעבר מרכזי (CT) שהוא יחסית צר (קילוהרצים אחדים) ומעבר רב-מנתי (MQ) רחב (עם רוחב קו בסדר גודל של מגהרץ סיבוב בציר הקסם במהירויות הניתנים להישג מצמצם את ה-CT פי שלושה או ארבעה ונותן פסי צד של סיבוב מעבר לתחום של מעבר ה-MQ. אם הגרעינים של ה-CT בסביבה סימטרית מאוד כמו לאשלגן ברומייד (KBr), ניסוי רגיל עם פולס אחד עם סיבוב בציר הקסם יכול להספיק לתת סיגנל מספיק צר (מלווה בפסי צד) (תרשים 14). שים לב שנהוג להשתמש בספקטרום ⁷⁹Br של KBr במקום ספקטרום ה-⁸¹Br לצורך כיול הגלאי למרות הרגישות וההפרדה המעט פחותות של ⁷⁹Br ביחס ל-⁸¹Br משום שהתדר שלו קרוב לזה של ¹³C ופוחת את צוקך כיוונון הגלאי.

בדרך כלל ה-CT אינו צר ואי אפשר להפריד בין הסיגנלים. ייתכן שקיימים סיגנלים לא מופרדים הנובעים מסביבות שונות. רובידיום חנקתי (RbNO₃) הוא דוגמה לכך (תרשים 15). ספקטרום ה-⁸⁷Rb של RbNO₃ מראה פסי צד של סיבוב פרוס על יותר ממגהרץ.

ה-CT של RbNO₃ הוא סיגנל רחב המכיל לפחות שני מרכיבים לא מופרדים.

כדי להפריד בין הסיגנלים משתמשים בניסוי סיבוב בציר הקסם רב-מנתי (MQ-MAS) (תרשים 17) או סיבוב בציר הקסם עם מעבר מלווין (ST-MAS) (תרשים 18). ST-MAS נותן תוצאות הרבה יותר רגישות מ-MQ-MAS אבל מאוד רגיש לדיוק זווית הקסם ופרמטרים אחרים שעשה אותו קשה להסיג את ההפרדה כמו זה של MQ-MAS. עם הכנה זהירה לניסוי, ST-MAS ייתן תוצאות יותר טובות מאלה של MQ-MAS. שני הניסיונות יתנו ספקטרום דו-מימדי עם סיגנלי CT ארבע-קוטביים רחבים ב-f₂ סיגנלים איזוטרופיים חדים יותר ב-f₁. ניסוי ה-ST-MAS של RbNO₃ מראה שני מרכיבים מופרדים לסיגנל של רובידיום.

HR-MAS של קשיחים למחצה

דוגמאות קשיחים למחצה כוללות תחליבים, גבישים נוזליים, רקמות ביולוגיות ונוזלים בעלי מבני מיקרו- וננו- אחרים. ככול שהזורם צמיג או קרישי יותר כך הסיכוי גבוה יותר ש-HR-MAS יכול לשפר את ההפרדה. דוגמה של גביש נוזלי צמיג מאוד מופיע בתרשים 19.

פה ניקח חלב כדוגמה של תחליב. בגלאי רגיל לנוזלים הסיגנלים מורחבים ביחס לאלה של תמיסות אחידות (תרשים 20). ההיסטים הנמדדים לסיגנלים הנובעים מפאזת השמן אינם היסטים כימיים טהורים אלה כוללים הסיטים הנובעים מסוספטיביליות (ארות) מגנטית מרחבית (BMS).

כאשר מסובבים את הדוגמה סביב ציר הקסם במהירות ארבע קילוהרץ הסיגנלים נהיים הרבה יותר חדים (תרשים 21) והיסט ה-BMS מתאפס ומאפשר השוואת היסטים כימיים בין פאזות השמש והמים.

נוכחות סיגנלים חדים מאפשר שימוש בשיטות דו-מימדיות כמו במצב נוזלי כמו TOCSY (תרשים 22).

בגלאי ה-HR-MAS שלנו יש גרדיאנט (מפל שדה) המאפשר תמ"ג דו-מימדי משופר בידי גרדיאנט כמו COSY (תרשים 23) והתאמה בין-גרעינית (תרשים 24).