Phổ cộng hưởng từ proton, hoặc đầy đủ hơn phương pháp phổ cộng hưởng từ proton, là phương pháp phổ dựa trên sự cộng hưởng của hạt nhân nguyên tử hydrogen trong từ trường khi hấp thụ sóng radio. Phương pháp này được dùng chủ yếu để nghiên cứu cấu trúc phân tử, và còn được nói gọn là cộng hưởng từ proton.

Spin hạt nhân và cộng hưởng từ hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các nơtron. Số lượng tử spin của proton cũng như của nơtron đều bằng $1/2$. Nếu spin của tất cả các proton và các nơtron đều cặp đôi thì số lượng tử spin hạt nhân I bằng không (I = 0) như ở ¹²C, ¹⁶O, .... Nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì $I=1/2$ như ở ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, ..., nếu có nhiều spin không cặp đôi thì $I\geq 1$ như ở ²H, ¹⁴N, ...

Trong từ trường B₀, vectơ momen từ của hạt nhân có $2I+1$ cách định hướng. Ví dụ đối với proton (¹H) có hai cách định hướng. Sự định hướng này dẫn tới việc tạo thành 2 mức năng lượng hạt nhân với số lượng tử momen góc $m_{I}=+1/2$ và $m_{I}=-1/2$. Các hạt nhân ở hai mức năng lượng đó được gọi là các hạt nhân $\alpha$ và $\beta$ với số lượng N₁ và N₂ tương ứng. Hiệu số giữa hai mức năng lượng hạt nhân ($\Delta {\text{E}}$) phù hợp với bức xạ có tần số từ 50 – 500 MHz tức trong vùng tần số của sóng radio (bước sóng 6 – 0,6 m).

Khi đặt mẫu nghiên cứu vào trong từ trường rồi chiếu vào mẫu sóng vô tuyến có tần số phù hợp thì các hạt nhân ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ năng lượng của sóng vô tuyến để chuyển lên mức cao. Đó là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nucleus Magnetic Resonance, NMR).

Nguyên lí máy phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Ống chứa dung dịch chất nghiên cứu (mẫu) được đặt giữa từ trường của một nam châm mạnh (từ trường B₀). Máy phát sóng rađio chiếu vào mẫu sóng radio có tần số thích hợp. Máy thu “theo dõi” sự hấp thụ năng lượng (sự cộng hưởng) thông qua cuộn cảm bao quanh ống nghiệm đựng mẫu. Tín hiệu cộng hưởng được truyền sang máy tính (computer) để xử lí và ghi phổ NMR.

Dung môi dùng trong ghi phổ NMR cần chọn sao cho chỉ chứa những hạt nhân không có từ tính ($I=0$) và không cộng hưởng ở vùng tần số nghiên cứu. Ví dụ, để ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân của các nguyên tử hydrogen (¹H NMR) và phổ ¹³C NMR người ta thường sử dụng các dung môi deuteri hóa như CDCl₃; CD₂Cl₂; CD₃OD; CD₃COCD₃ (d₆- aceton); D₂O... Nhiệt độ của mẫu có thể được điều chỉnh (khi cần thiết) bằng các luồng khí nóng hoặc lạnh. Để ghi phổ NMR, lượng mẫu đo cần khoảng 2-3 mg/0,5 ml dung môi.

Độ chuyển dịch hóa học của proton

Hạt nhân của nguyên tử hydrogen chính là proton (¹H). Vì thế, phổ ghi các tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân của các nguyên tử hydrogen trong các chất được gọi là phổ cộng hưởng từ proton, kí hiệu là ¹H NMR và nguyên tử hydrogen trong NMR được gọi đơn giản là proton. Phổ ¹H NMR của pinacolon, CH₃COC(CH₃)₃, với chất chuẩn là (CH₃)₄Si (Tetramethylsilan, TMS).

Về cấu tạo hóa học thì 3 proton của nhóm methyl keton (a) là tương đương nhau nhưng khác 9 proton của nhóm tert-butyl (b), đồng thời cũng khác với 12 proton của TMS. Khi cố định cường độ của từ trường mà thay đổi tần số sóng radio thì các proton H_a, H_b và H_TMS lần lượt cộng hưởng ở các tần số $\upsilon _{a}>\upsilon _{b}>\upsilon _{TMS}$ tương ứng. Các đại lượng $\upsilon _{a}$, $\upsilon _{b}$ , $\upsilon _{TMS}$ và cả hiệu số $\Delta \upsilon$ giữa chúng không những phụ thuộc vào cấu tạo hóa học mà còn phụ thuộc vào tần số làm việc $\upsilon _{o}$ của máy phổ, do đó không dùng để đặc trưng cho các loại nguyên tử hydrogen trong phân tử được.

Thế nhưng tỉ số $\Delta \upsilon /\upsilon _{o}$ lại không phụ thuộc vào máy phổ mà chỉ phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của phân tử nên được dùng để đặc trưng cho vị trí của các tín hiệu cộng hưởng proton. Người ta định nghĩa độ chuyển dịch hóa học (kí hiệu là $\delta$) của nguyên tử Hx (mà người ta thường gọi là proton Hx) theo biểu thức sau:

$\delta _{\text{Hx}}={\frac {\upsilon _{\text{Hx}}-\upsilon _{\text{TMS}}}{\upsilon _{o}}}\cdot 10^{6}={\frac {\Delta \upsilon }{\upsilon _{o}}}\cdot 10^{6}{\text{(ppm)}}$

Ở đây, $\upsilon _{\text{TMS}}$ là tần số cộng hưởng của các proton TMS (Tetramethylsilan); $\upsilon _{\text{Hx}}$: tần số cộng hưởng của proton ở cấu tạo đang xét; $\upsilon _{o}$: tần số làm việc của máy phổ (đều tính ra Hz); ppm: part per million (phần triệu). Tính theo công thức trên, đối với máy phổ làm việc ở tần số $\upsilon _{o}$ = 60.10⁶ Hz (60 MHz) thì độ chuyển dịch của các proton nhóm methyl keton (Ha) là 2,10 ppm, của các proton nhóm tert-buthyl (H_b) là 1,15 ppm, còn của 12 proton chất chuẩn TMS là 0,00 ppm.

Hai yếu tố nội phân tử ảnh hưởng lớn tới độ chuyển dịch hóa học là từ trường cảm ứng của các electron bao quanh hạt nhân (sự chắn tại chỗ) và từ trường cảm ứng của các electron ở các nguyên tử bên cạnh (sự chắn từ xa). Vì thế mà các proton ở các cấu tạo hóa học khác nhau thì có độ chuyển dịch hóa học khác nhau.

Cường độ tín hiệu cộng hưởng từ proton

Tín hiệu cộng hưởng proton thường có dạng hình nêm. Diện tích của hình nêm tỉ lệ thuận với số lượng proton gây ra tín hiệu. Ví dụ, tín hiệu ở 1,15 ppm do 9 proton gây ra nên có diện tích lớn gấp 3 lần diện tích của tín hiệu ở 2,10 ppm do 3 proton gây ra. Khi ghi phổ, computer tự xác định diện tích các tín hiệu, quy ra thành cường độ tương đối rồi ghi dưới mỗi tín hiệu cộng hưởng.

Tương tác của các proton

Mỗi nhóm hạt nhân không tương đương tạo ra một cụm tín hiệu gọi là một vân phổ (nhiều chi tiết như vân ngón tay). Tín hiệu của nhóm CH₂ gồm 4 hợp phần, gọi là vân bốn (quarted, q) ; tín hiệu của nhóm CH₃ gồm 3 hợp phần, gọi là vân ba (triplet, t) ; tín hiệu của nhóm OH chỉ gồm 1 hợp phần thì được gọi là vân đơn (singlet, s). Một tín hiệu gồm 2 hợp phần thì được gọi là vân đôi (doublet, d).

Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt nhân có từ tính ở cạnh nhau thông qua các electron liên kết, gọi là tương tác spin – spin (spin – spin interaction) hoặc ghép cặp spin – spin (spin – spin coupling). Khoảng cách (tính ra Hz) giữa 2 hợp phần bị tách ra do tương tác spin – spin không phụ thuộc vào tần số làm việc của máy nên được gọi là hằng số tương tác spin – spin và được kí hiệu là $J$. Ví dụ, tín hiệu của 3 proton nhóm CH₃ (a, ở 1,23 ppm, viết gọn là $\delta$(Ha) = 1,23 ppm) bị 2 proton nhóm CH₂ (b) tách thành 3 hợp phần, tín hiệu proton của nhóm CH₂ (b, ở 3,75 ppm, viết gọn là $\delta$(Hb) = 3,75 ppm) bị 3 proton nhóm CH₃ (a) tách thành 4 hợp phần. Khoảng cách giữa các hợp phần đều bằng 7 Hz và được kí hiệu là $J_{\text{HaHb}}$ = 7 Hz.

Giá trị của $J$ phụ thuộc trước hết vào bản chất của hai hạt nhân tương tác. Tương tác spin-spin giữa các hạt nhân được truyền qua các cặp electron liên kết vì thế hằng số ttss còn phụ thuộc vào số liên kết và bản chất các liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác. Khi số liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác tăng thì $J$ giảm. Thường thì tương tác spin-spin chỉ đáng kể khi nó truyền qua không quá 3 liên kết $\sigma$. Nhưng nếu trong mạch có cả liên kết $\pi$ thì ttss có thể phát huy tác dụng qua 4 hoặc 5 liên kết. Để chỉ rõ số liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác người ta dùng chữ số đặt phía trên bên trái kí hiệu $J$.

Ứng dụng

Phương pháp phổ cộng hưởng từ proton là một trong các phương pháp hiệu quả bậc nhất trong nghiên cứu cấu trúc phân tử. Phương pháp phổ cộng hưởng từ proton không những cho biết sự có mặt các nhóm nguyên tử trong phân tử như phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến và phương pháp phổ hồng ngoại mà còn cung cấp những thông tin về số lượng và vị trí của những nhóm đó. Phổ ¹H NMR giúp xác định cấu trúc phân tử nhờ ba đặc trưng trên phổ như sau: i) Vị trí của tín hiệu cộng hưởng tức là độ chuyển dịch hóa học cho biết H đính với C no, không no, thơm hay đính với dị nguyên tử nào khác; ii) Cường độ của tín hiệu cho biết số lượng nguyên tử H gây ra tín hiệu; iii) Hình dạng của tín hiệu (thể hiện ở số lượng, cường độ của các hợp phần bị tách ra do tương tác spin – spin và giá trị hằng số tách $J$) cho biết vị trí tương đối của các nhóm nguyên tử mang H trong phân tử. Nhờ chế tạo được các nam châm cực mạnh, phát triển được nhiều kĩ thuật đa xung và đa chiều người ta đã xác định cấu trúc các phân tử từ nhỏ đến lớn và cả những đại phân tử như protein, acid nucleic,...

Phương pháp ¹H NMR còn có nhiều ứng dụng khác như: phân biệt hợp chất thơm, không thơm và phản thơm, nghiên cứu phản ứng hóa học, nghiên cứu sự hỗ biến, thăm dò nước ngầm, ... Cộng hưởng từ proton nghiên cứu các đối tượng sinh học đang phát triển mạnh mẽ, chẳng hạn, trong y học người ta sử dụng hình ảnh thu được nhờ cộng hưởng từ proton (MRI) để chẩn đoán bệnh tật.

Tài liệu tham khảo

• Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà. Các phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc hóa học. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2019, tr. 230 - 297.
• D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz, J. R. Vyvyan. Introduction to Spectroscopy. Cengage Learning, 2013, pp.215 - 289.