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Alfonso Mangoni » 18.Spettroscopia NMR - 5 - Aspetti pratici


La cuvetta per NMR

La cuvetta per NMR è una provetta di vetro con pareti molto sottili, tipicamente di 5 mm di diametro (anche se ora sono diffuse anche le cuvette da 3 mm per campioni in piccola quantità) in cui si pongono da 500 μL ad 1 mL di soluzione di campione.

Per la buona riuscita degli esperimenti è molto importante che lo spessore del vetro sia estremamente uniforme, e che la sua forma sia esattamente cilindrica.

Altre informazioni qui.

Una cuvetta NMR

Una cuvetta NMR

La cuvetta NMR può essere sigillata alla fiamma, o semplicemente tappata

La cuvetta NMR può essere sigillata alla fiamma, o semplicemente tappata


I solventi per l’NMR

La spettroscopia NMR ad alta risoluzione può essere effettuata solo su campioni in soluzione, a causa dell’anisotropia del chemical shift e degli accoppiamenti dipolari.

Il solvente non deve interferire con la misura, e per questo si usano solventi deuterati.

Il solvente più usato è il CDCl3, comuni sono anche D2O, CD3OD, C6D6, ecc. Quasi tutti i solventi sono in vendita anche in forma deuterata.

I solventi deuterati sono molto costosi e sono venduti in piccole quantità

I solventi deuterati sono molto costosi e sono venduti in piccole quantità


I solventi per l’NMR

Però è possibile usare anche come solvente H2O, usando tecniche particolari per la soppressione dell’enorme segnale dei protoni dell’acqua.

Anche i solventi deuterati contengono una piccola percentuale di atomi di H, e danno luogo ad un segnale residuo.

Il segnale residuo è sempre nella stessa posizione (per CDCl3 a δ 7.26 ppm), e può essere usato per calibrare lo spettro.

Spettro NMR in H2O con (sopra) e senza (sotto) la soppressione del solvente

Spettro NMR in H2O con (sopra) e senza (sotto) la soppressione del solvente

Segnale residuo di CDCl3 e C6D6

Segnale residuo di CDCl3 e C6D6


Lo spettrometro NMR: il magnete

Per la spettroscopia NMR è necessario un campo magnetico il più possibile intenso (perché aumenta la sensibilità), uniforme (perché i segnali sono stretti) e costante nel tempo (perché gli esperimenti possono essere lunghi).

Il campo magnetico è generato da un magnete superconduttore, in cui una corrente molto intensa circola in una bobina di materiale superconduttore immerso in elio liquido a 4.3 K.

Il magnete superconduttore a 700 MHz del CSIAS

Il magnete superconduttore a 700 MHz del CSIAS

Schema dell’interno di un magnete superconduttore

Schema dell'interno di un magnete superconduttore


Lo spettrometro NMR: il magnete

La cuvetta NMR è posta su un apposito supporto, ed è introdotta nel magnete dall’alto con un sistema pneumatico.

La cuvetta va a finire al centro del magnete, nella zona in cui il campo magnetico è più intenso, all’interno di un solenoide di rame che funge da antenna trasmittente e ricevente per la radiofrequenza.

La cuvetta NMR nel suo supporto

La cuvetta NMR nel suo supporto

La cuvetta NMR al centro del magnete

La cuvetta NMR al centro del magnete


Lo spettrometro NMR: la console

La console NMR ha il compito di produrre la radiazione elettromagnetica che poi interagisce con le molecole del campione all’interno del magnete.

Poiché si tratta di radiofrequenze, queste sono prodotte da circuiti elettronici, e arrivano al campione su fili di rame.

Inoltre la console riceve la debole radiofrequenza emessa dal campione che, amplificata milioni di volte, è poi elaborata dalla workstation.

Una console per NMR (dietro è visibile il magnete)…

Una console per NMR (dietro è visibile il magnete)…

…ed il suo interno

…ed il suo interno


Lo spettrometro NMR: la workstation

L’intero spettrometro NMR è controllato da una workstation, cioè un potente computer che si occupa anche della elaborazione dei dati raccolti.

Mentre fino a pochi anni fa era necessaria una costosa workstation UNIX, oggi un PC con sistema operativo Windows o Linux ha potenza sufficiente per fungere da workstation.

Oggi un normale PC può fungere da workstation per uno spettrometro NMR

Oggi un normale PC può fungere da workstation per uno spettrometro NMR


L’omogeneità del campo magnetico

Negli spettro NMR i segnal possono essere molto stretti (< 1Hz).

Poiché la frequenza di risonanza dipende dal campo magnetico, il campo magnetico deve essere estremamente uniforme in tutto il volume del campione, in modo che la frequenza di risonanza non cambi nemmeno di 1 Hz (su centinaia di MHz!!).

Se il campo magnetico non è perfettamente uniforme, i segnali diventano molto più larghi

Se il campo magnetico non è perfettamente uniforme, i segnali diventano molto più larghi


Lo shimming

Il magnete superconduttore non riesce da solo a produrre un campo magnetico così omogeneo.

Intorno al campione ci sono allora delle bobine (anche più di 20) che producono dei campi magnetici non omogenei, e che possono essere regolate in modo da compensare ogni disomogeneità del campo magnetico.

Questa regolazione si chiama shimming, e deve essere fatta per ogni singolo campione.

Campo magnetico di bobine di shimming in funzione della posizione su z del campione

Campo magnetico di bobine di shimming in funzione della posizione su z del campione


Il sistema di lock a deuterio

Poiché gli esperimenti NMR possono essere molto lunghi, il campo magnetico deve essere anche costante nel tempo.

Per mantenerlo costante, si usa un sistema di lock a deuterio che sfrutta il deuterio dei solventi deuterati. Il campione è continuamente irradiato alla frequenza di risonanza del deuterio (questo non disturba gli esperimenti NMR sugli altri nuclei).

Se il campo magnetico varia, il deuterio va fuori risonanza (non assorbe più la radiofrequenza), ed il campo magnetico viene automaticamente corretto in modo da riportare il deuterio in risonanza.

Rotazione del campione

Per migliorare l’omogeneità del campo magnetico, la cuvetta può essere fatta ruotare sul proprio asse.
In questo modo eventuali disomogeneità del campo magnetico nei vari punti in cui le molecole passano sono mediate.

Nello spettro possono però comparire le cosiddette bande laterali (side bands).

Oggi questa tecnica si usa raramente.

Le bande laterali ai lati di un segnale dovute alla rotazione della cuvetta

Le bande laterali ai lati di un segnale dovute alla rotazione della cuvetta


Scansione del campo e della frequenza

Uno spettro NMR può essere ottenuto in due modi.

Scansione della frequenza: si varia la frequenza della radiazione elettro-magnetica e si misura l’assorbimento ad ogni frequenza.

Scansione del campo: si lascia costante la frequenza, e si varia il campo magnetico: all’aumentare del campo magnetico entreranno in risonanza protoni via via più schermati, e si ottiene comunque lo spettro.

Scansione del campo e scansione della frequenza

Scansione del campo e scansione della frequenza


Scansione del campo e della frequenza

Negli apparecchi NMR ad onda continua questo secondo metodo era usato molto frequentemente.

È ancora molto comune dire segnale a campi alti per intendere un segnale di un protone molto schermato, che quindi risuona a frequenze (e chemical shift) bassi; analogamente, un protone che risuona a campi bassi è piuttosto deschermato, e quindi ha una frequenza di risonanza e chemical shift piuttosto alti.

Scansione del campo e scansione della frequenza

Scansione del campo e scansione della frequenza


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