#15. Kỹ thuật và thực hành NMR

(Dự định viết trong Q4. 2019)

Trang này trình bày một số nội dung về kỹ thuật NMR, bao gồm:

• Thiết bị NMR (nguyên lý, cấu hình, nam châm siêu dẫn, đầu dò, ...)
• Đo phổ NMR (Thu FID)
• Xử lý dữ liệu FID (Window function, FT, Base line corr, annalysis, ...)
• Các chức năng phần mềm phụ trợ và nâng cao (...) 
• Chuẩn bị mẫu đo NMR (chiết tách, làm sạch, dung môi NMR, ống đo NMR, ...)

Các nội dung trên chủ yếu hướng đến các 2 nhóm đối tượng sau:

• Nhóm I: Những người sử dụng, khai thác dữ liệu phổ, muốn tự mình xử lý dữ liệu đo (FID) để thu được phổ NMR theo mong muốn một cách chủ động, không phụ thuộc operator.
• Nhóm II: Những người trực tiếp vận hành (operator), chuẩn bị mẫu đo hoặc có trách nhiệm kỹ thuật, bảo dưỡng thiết bị NMR.

Việc chia nhóm như trên cũng chỉ có tính tương đối. Ở các nước phát triển, công cụ NMR khá phổ biến. Các phòng thí nghiệm liên quan tới hóa hữu cơ thường có vài máy NMR, từ tần số thấp đến tần số cao. Cán bộ nghiên cứu, kể cả nghiên cứu sinh, sinh viên được khuyến khích, thậm chí có nơi bắt buộc, tự mình giải quyết bài toán NMR từ A đến Z, từ chuẩn bị mẫu đến đo phổ, xử lý phổ, giải phổ. Khi đó, mọi người đều phải đóng vai trò vừa là operator, vừa là người sử dụng, khai thác phổ NMR.

15.1. Thiết bị NMR (phần cứng)

15.1.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị NMR

Thời kỳ đầu, các thiết bị NMR đều hoạt động theo nguyên lý quét phổ giống như nhiều phương pháp phổ khác. Khi bắt đầu đo phổ, tần số từ trường B1 được thay đổi (quét) tăng dần trong khi từ trường được giữ cố định, hoặc ngược lại, từ trường thay đổi và tần số giữ không thay đổi. Tín hiệu cộng hưởng sẽ xuất hiện chừng nào tần số (khi quét tần số) hay từ trường (khi quét từ trường) bắt đúng điều kiện cộng hưởng.

Sau này, khi giải pháp NMR - Xung (Pulsed NMR) ra đời với những ưu điểm vượt trội, người ta thường gọi kỹ thuật NMR quét tần số hay quét từ trường là NMR sóng liên tục (Continuous Wave - CW) để phân biệt với NMR - Xung ra đời sau. Từ khi ra đời NMR - Xung, kỹ thuật CW NMR ngày càng ít được sử dụng và ngày nay gần như không còn được sản xuất và sử dụng trên thực tế nữa.

Sơ đồ dưới đây mô tả nguyên lý chung của thiết bị NMR. Thiết bị gồm 01 nam châm tạo từ trường, ký hiệu Bo, 01 máy phát tần số vô tuyến (radio frequency - rf), ký hiệu B1, khoang để mẫu và phần thu tín hiệu, xử lý và biến đổi thành phổ NMR. Trong kỹ thuật cũ CW NMR, hoặc độ lớn Bo (trong máy quét từ trường) hoặc giá trị tần số B1 (trong máy quét tần số) được thay đổi liên tục, từ thấp đến cao, cho đến khi bắt được tín hiệu cộng hưởng, còn trong kỹ thuật mới NMR-xung, cả cường độ từ trường Bo cũng như tần số từ trường B1 đều được giữ ở một giá trị không đổi, nhưng từ trường B1 được "bật - tắt" theo chế độ xung, vì thế gọi là NMR-Xung. Với kỹ thuật NMR-xung, ta không thu được ngay phổ NMR như trong kỹ thuật CW NMR mà chỉ thu được một dạng phổ trung gian, mô tả sự phụ thuộc theo thời gian, chứ không phải tần số, gọi là phổ suy giảm cảm ứng từ tự do (FID). Sau đó, nhờ phép biến đổi Fourier (Fourier Transformation - FT), từ FID ta sẽ nhận được phổ NMR, vì thế NMR-Xung còn gọi là FT NMR, là tên được dùng thông dụng hiện nay.  

Sơ đồ nguyên lý thiết bị NMR

Nguyên lý NMR thường được giải thích trong các giáo trình theo nguyên lý phổ nói chung, dựa trên mô hình mức năng lượng như mô tả ở phần trên của hình dưới đây. Khi đặt hệ spin trong từ trường, mức năng ban đầu rã thành 02 mức, với khoảng cách năng lượng giữa 2 mức tỷ lệ với độ lớn từ trường. Khi quét từ trường, tín hiệu NMR sẽ xuất hiện khi giá trị từ trường thỏa mãn điều kiện cộng hưởng của hệ spin cụ thể.
Nguyên lý NMR - Xung hay thường gọi là FT NMR phức tạp hơn. Tác động của xung ngắn hạn cao tần rf (từ trường B1) làm lệch vecto mômen từ Mo khỏi vị trí cân bằng. Tắt xung rf, vectơ mômen từ sẽ chuyển động tuế sai về vị trí cân bằng ban đầu, tạo nên đường cong suy giảm cảm ứng từ tự do (FID). Phép biến đổi FT sẽ chuyển từ FID sang phổ NMR (dãy hình bên dưới).     

Nguyên lý quét phổ CW NMR (quét từ trường, 02 hình trên) và Xung - FT NMR (dãy hình dưới)

Trên thực tế, CW NMR theo nguyên lý quét phổ và sơ đồ mức năng lượng không phản ánh đúng nguyên lý hoạt động thực của thiết bị NMR hiện đại, nhưng vì mô tả nguyên lý NMR-xung, FT NMR khá phức tạp, nên trong các tài liệu không chuyên sâu về kỹ thuật NMR, chỉ nhắm đến mục đích khai thác và ứng dụng phổ NMR, mô hình mức năng lượng của CW NMR đơn giản và dễ hiểu vẫn được chấp nhận và được sử dụng rất phổ biến, nhất là ở các giáo trình ở bậc đại học.   

15.1.2. Nam châm siêu dẫn

Từ trường Bo trong sơ đồ nguyên lý ở hình trên đóng vai trò rất quan trọng đối với một thiết bị NMR. Từ trường càng cao, chất lượng phổ NMR nhận được càng cao. Theo nguyên lý NMR, độ lớn từ trường tỷ lệ với tần số cộng hưởng, vì vậy người ta có thói quen nêu giá trị tần số cộng hưởng tương đương, thường chọn tần số cộng hưởng của proton, để nói về độ lớn của từ trường cho một thiết bị NMR cụ thể. Ví dụ, thay vì nói: "Phổ được đo trên thiết bị NMR với từ trường 11,7T", thì người ta sẽ nói "Phổ được đo trên thiết bị NMR có tần số cộng hưởng của proton là 500MHz" hay ngắn gọn là "đo trên máy 500MHz".

Bảng quan hệ Cường độ từ trường - Tần số cộng hưởng của thiết bị NMR 

Thời kỳ ban đầu, các thiết bị NMR chỉ có từ trường không lớn, thường chỉ là nnT (60Mhz) hay lớn nhất là nnT (máy 100MHz). Nam châm để tạo ra các từ trường như vậy thường chỉ là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện bình thường. Với các thiết bị NMR hiện đại, nam châm  điện và nam châm vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm siêu dẫn, tạo ra từ trường trong dải từ nn T (máy 300MHz) đến nnT (máy 1.000 Mhz).

   

15.1.3. Đầu đo hay đầu dò NMR (Probes)

Đầu dò NMR hay còn gọi là buồng cộng hưởng chủ yếu gồm cuộn dây phát và thu tín hiệu rf của từ trường B1.  Mẫu đo NMR dạng lỏng đựng trong ống đo (tube) được đặt vào giữa đầu dò, gọn khít trong lòng các cuộn thu phát rf. Trong thiết bị NMR, đầu dò được đặt ở tâm của từ trường Bo.

Để đat được hiệu suất điện tử cao nhất, các đầu dò NMR được thiết kế cho các yêu cầu đo phổ khác nhau, giống như người chụp ảnh chuyên nghiệp dùng nhiều loại ống kính, thích hợp cho những điều kiên, yêu cầu chụp ảnh khác nhau. 

Các đặc trưng quan trọng của đầu dò NMR là:

• abc

15.1.4. Các hệ thiết bị NMR tại Viện Hóa học (Xem #2 Kể chuyện NMR)

A. Hệ thiết bị CW NMR đầu tiên:

• Tên thiết bị H 60, hãng VARIAN (Mỹ).
• Tần số 1H: 60MHz
• Loại CW, chỉ có thể đo được duy nhất phổ 1D 1H NMR.
• Năm sản xuất: 1968.
• Năm Pháp tặng Việt Nam: 1979.
• Nơi lắp đặt: Viện Vật lý, sau đó chuyển sang Viện Hóa Học
• Hoạt động (ậm ạch) đến cỡ 1984-1985.

B. Hệ thiết bị FT NMR thứ 2:

• Tên thiết bị AVANCE 500, hãng Bruker (Thụy Sỹ).
• Tần số 1H: 500MHz
• Loại FT.
• Phần mềm: XWIN NMR
• Năm sản xuất: 1999.
• Năm lắp đặt tại VHH: 2001.
• Hoạt động không nghỉ đến 30/6/2017 (16 năm)

C. Hệ thiết bị FT NMR thứ 3:

• Tên thiết bị AVANCE III HD, hãng Bruker (Thụy Sỹ).
• Tần số 1H: 500MHz
• Loại FT.
• Phần mềm: TopSpin 3.x
• Năm sản xuất: 2015.
• Năm lắp đặt tại VHH: 2015.
• Đang hoạt động 24/7

C. Hệ thiết bị FT NMR thứ 4:

• Tên thiết bị NEO, hãng Bruker (Thụy Sỹ).
• Tần số 1H: 600MHz
• Loại FT.
• Phần mềm: TopSpin 4.x
• Năm sản xuất: 2019.
• Năm lắp đặt tại VHH - dự kiến: 3/2020.

15.2. Đo, xử lý và phân tích dữ liệu NMR

• Thu dữ liệu FID
• Xử lý FID
• Phân tích phổ NMR

15.2.1. Thu dữ liệu FID

• 
  
• 
  

15.2.2. Xử lý FID

• a
• a
• a

15.2.3. Phân tích dữ liệu phổ NMR

• a
• a

15.3. Một số chức năng, phần mềm phụ trợ, nâng cao

15.3.1. Mô phỏng và dự đoán phổ

15.3.2. Tự động và bán tự động gán phổ 

15.3.3. Xử lý thống kê phổ NMR mẫu hỗn hợp

15.4. Chuẩn bị mẫu đo phổ NMR

15.4.1. Mẫu đo phổ NMR

15.4.2. Dung môi NMR 

15.4.3. Ống đo NMR

15.4.4. Chất chuẩn NMR