الرنين المغناطيسي النووي للكربون-13

لا يُلاحظ اقتران نظائر الكربون ^-13 المتجانس عادةً إلا في العينات المُخصبة بالكربون ^{-13 .} ويتراوح نطاق اقتران الرابطة الأحادية ^1J ( ^13C , ^13C ) بين 50 و130 هرتز، بينما يبلغ نطاق اقتران الرابطتين ^2J ( ^13C , ^13C ) حوالي 10 هرتز.  

تتشابه اتجاهات J(1H, 13C) وJ(13C, 13C)، باستثناء أن J( 1H , ^13C ) ^أصغر نظرًا ^{لانخفاض} قيمة ^{العزم المغناطيسي} النووي ^{للكربون} -13 . تتراوح قيم J(1H, 13C) بين 125 و250 هرتز. أما ^قيم J ( ^2H , ^13C ) فهي ^{قريبة من} 5 ^هرتز ، ^{وغالبًا} ما تكون سالبة.  

نتيجةً لانخفاض حساسية مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للكربون ^-13 ، فإنها تعاني من تعقيدات لا تُصادف في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للبروتون. يمكن تطبيق العديد من التدابير للتعويض عن انخفاض حساسية هذه النواة. على سبيل المثال، تستطيع المغناطيسات ذات المجال العالي والفتحات الداخلية الأوسع استيعاب أنابيب عينات أكبر (عادةً 10  مم في قطر مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للكربون ^-13 مقابل 5  مم لمطيافية الرنين النووي المغناطيسي ^{للبروتون} ). تسمح عوامل الاسترخاء بنبضات أسرع. ^{[ 5 ]} يُعد أسيتيل أسيتونات الكروم (III) عامل استرخاء نموذجي . بالنسبة لعينة نموذجية، قد يستغرق تسجيل طيف الرنين النووي المغناطيسي للكربون ^-13 عدة ساعات، مقارنةً بـ 15-30 دقيقة لمطيافية الرنين النووي المغناطيسي ^{للبروتون} . يكون ثنائي القطب النووي أضعف، ويبلغ فرق الطاقة بين حالتي ألفا وبيتا ربع فرق الطاقة في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للبروتون، وبالتالي يكون فرق بولتزمان في عدد الجزيئات أقل. ^{[ 6 ]} أحد التدابير الأخيرة للتعويض عن انخفاض الحساسية هو الإثراء النظائري.

تُوفر بعض مجسات الرنين النووي المغناطيسي، والتي تُسمى المجسات المبردة، تحسينًا للإشارة بمقدار 20 ضعفًا مقارنةً بمجسات الرنين النووي المغناطيسي العادية. في هذه المجسات، تُحافظ إلكترونيات توليد واستقبال الترددات الراديوية على درجة حرارة تقارب 25 كلفن باستخدام غاز الهيليوم، مما يُعزز حساسيتها بشكل كبير. ^{[ 7 ]} لكن في المقابل، تُعد المجسات المبردة باهظة الثمن.

تنشأ تعقيدات أخرى محتملة من وجود ثوابت اقتران J كبيرة بين الكربون والهيدروجين (عادةً من 100 إلى 250  هرتز). ورغم أن هذه الاقترانات قد تكون مفيدة، إلا أنها قد تُعقّد الأطياف وتقلل من حساسيتها. لهذه الأسباب، تُسجّل أطياف الرنين النووي المغناطيسي للكربون ^{-13 عادةً مع} فصل اقتران البروتون . يمكن تجاهل الاقترانات بين ذرات الكربون نظرًا لانخفاض وفرة الكربون ^-13 الطبيعية . وبالتالي، على عكس أطياف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون النموذجية، التي تُظهر مضاعفات لكل موقع بروتون، تُظهر أطياف الرنين النووي المغناطيسي للكربون قمة واحدة لكل ذرة كربون غير متكافئة كيميائيًا. ^{[ 8 ]}

وعلى النقيض من الرنين النووي ^{المغناطيسي للبروتون} ، فإن شدة الإشارات لا تتناسب عادةً مع عدد ذرات الكربون ^-13 المتكافئة . بل تتأثر شدة الإشارة بشدة بعدد اللفات المحيطة (عادةً بروتون ^واحد ) وتتناسب معه. وتكون عمليات التكامل أكثر دقةً إذا كانت أزمنة التأخير طويلة، أي إذا تجاوزت أزمنة التأخير أزمنة الاسترخاء بشكل كبير .

أكثر طرق تسجيل أطياف الكربون ^-13 شيوعًا هي فصل الضوضاء عن البروتون (المعروف أيضًا بفصل الضوضاء، أو فصل البروتون، أو فصل النطاق العريض)، وفصل خارج الرنين، وفصل البوابة. تهدف هذه الطرق إلى معالجة قيم J الكبيرة لروابط الكربون ^-13 مع الهيدروجين (110-320  هرتز)، والكربون ^-13 مع الهيدروجين (5-60  هرتز)، والكربون ^-13 مع الهيدروجين (5-25 هرتز)، والتي تجعل تفسير أطياف الكربون ^-13  المقترنة بالبروتونات بشكل كامل أمرًا صعبًا. ^{[ 9 ]}

في تقنية فصل الضوضاء عن البروتونات، المستخدمة في معظم التحليلات الطيفية، يقوم جهاز فصل الضوضاء بتعريض العينة لإشعاع قوي بنطاق واسع (حوالي 1000  هرتز) من الترددات الراديوية، يغطي النطاق (مثل 100  ميجاهرتز لحقل 23486 غاوس) الذي تتغير عنده اللف المغزلي النووي للبروتونات. تُحدث التغيرات السريعة في اللف المغزلي للبروتونات فصلًا فعالًا بين النوى المختلفة، مما يزيد من قوة إشارة الكربون نتيجة لتأثير أوفرهاوزر النووي (NOE)، ويُبسط الطيف بحيث يُنتج كل كربون غير متكافئ قمةً مفردة.

تُظهر ذرات الكربون والهيدروجين دورانًا مغزليًا، وهي نشطة في الرنين المغناطيسي النووي. وتظهر ظاهرة أوفرهاوزر النووية عمومًا عند تشعيع أحد نوعين مختلفين من الذرات أثناء تحديد طيف الرنين المغناطيسي النووي للنوع الآخر. إذا تغيرت شدة امتصاص الذرة المرصودة (أي غير المشععة)، يحدث تعزيز. ويمكن أن يكون هذا التأثير موجبًا أو سالبًا، اعتمادًا على نوع الذرات المعنية. ^{[ 10 ]}

تعتبر الشدات النسبية غير موثوقة لأن بعض ذرات الكربون لها زمن استرخاء دوراني-شبكي أكبر ، بينما تتمتع ذرات أخرى بتعزيز NOE أضعف. ^{[ 9 ]}

في تقنية الفصل المُتحكم به، يتم تشغيل مُفصل الضوضاء في وقت مبكر من فترة التأخير الحر للحث، ولكن يتم إيقافه خلال فترة تأخير النبضة. هذا يمنع إلى حد كبير تعزيز تأثير NOE، مما يسمح بمقارنة قوة قمم الكربون ^-13 الفردية بشكل ذي معنى عن طريق التكامل، وذلك على حساب انخفاض الحساسية الكلية بمقدار يتراوح بين النصف إلى الثلثين. ^{[ 9 ]}

في حالة الفصل خارج الرنين، يقوم جهاز فصل الضوضاء بتشعيع العينة بتردد يتراوح بين 1000 و2000  هرتز أعلى المجال المغناطيسي أو بين 2000 و3000  هرتز أسفل المجال المغناطيسي لتردد رنين البروتون. يحافظ هذا على اقترانات البروتونات المجاورة مباشرةً لذرات الكربون ¹³ ، ولكنه في أغلب الأحيان يزيل الاقترانات الأخرى، مما يسمح برؤية مضاعفات ضيقة مع قمة إضافية لكل بروتون مرتبط (إلا إذا كانت بروتونات الميثيلين المرتبطة غير متكافئة، وفي هذه الحالة يمكن ملاحظة زوج من الثنائيات). ^{[ 9 ]}