الرنين النووي الرباعي الأقطاب
مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب (NQR) هي تقنية تحليل كيميائي مرتبطة بالرنين المغناطيسي النووي ( NMR ). على عكس NMR، يمكن رصد انتقالات NQR للنوى في غياب المجال المغناطيسي ، ولذلك تُعرف مطيافية NQR باسم " الرنين النووي المغناطيسي في غياب المجال ". يتوسط رنين NQR تفاعل تدرج المجال الكهربائي (EFG) مع عزم رباعي الأقطاب لتوزيع الشحنة النووية . على عكس NMR، لا تنطبق NQR إلا على المواد الصلبة وليس السوائل، لأن متوسط تدرج المجال الكهربائي عند النواة في السوائل يساوي صفرًا (موتر EFG له أثر صفري). ولأن EFG عند موقع النواة في مادة معينة يتحدد بشكل أساسي بواسطة إلكترونات التكافؤ المشاركة في الرابطة المحددة مع النوى المجاورة، فإن تردد NQR الذي تحدث عنده الانتقالات يكون فريدًا لتلك المادة. يتناسب تردد الرنين النووي الرباعي (NQR) في مركب أو بلورة تناسبًا طرديًا مع حاصل ضرب عزم رباعي الأقطاب النووي، وهو خاصية للنواة، وتدرج المجال الكهربائي (EFG) في جوار النواة. يُطلق على هذا الناتج اسم ثابت اقتران رباعي الأقطاب النووي لنظير معين في المادة، ويمكن إيجاده في جداول انتقالات NQR المعروفة. في الرنين النووي المغناطيسي (NMR)، توجد ظاهرة مشابهة، وإن لم تكن مطابقة تمامًا، وهي ثابت الاقتران، الذي ينتج أيضًا عن تفاعل بين النوى في المادة المراد تحليلها .
مبدأ
أي نواة تحتوي على أكثر من جسيم نووي غير مزدوج (بروتونات أو نيوترونات) سيكون لها توزيع شحنة ينتج عنه عزم رباعي الأقطاب كهربائي. تنزاح مستويات الطاقة النووية المسموح بها بشكل غير متساوٍ نتيجة لتفاعل الشحنة النووية مع تدرج المجال الكهربائي الناتج عن التوزيع غير المنتظم لكثافة الإلكترونات (مثل إلكترونات الروابط) و/أو الأيونات المحيطة. كما هو الحال في الرنين المغناطيسي النووي، قد يؤدي تشعيع النواة بنبضة من الإشعاع الكهرومغناطيسي بترددات الراديو إلى امتصاص النواة لبعض الطاقة، وهو ما يمكن اعتباره اضطرابًا في مستوى طاقة العزم الرباعي الأقطاب. على عكس الرنين المغناطيسي النووي، يحدث امتصاص الرنين الرباعي الأقطاب النووي في غياب مجال مغناطيسي خارجي. يؤدي تطبيق مجال ثابت خارجي على نواة رباعية الأقطاب إلى انقسام مستويات العزم الرباعي الأقطاب بمقدار الطاقة المتوقعة من تفاعل زيمان . هذه التقنية حساسة للغاية لطبيعة وتناظر الروابط حول النواة. يمكن لهذه التقنية تحديد خصائص التحولات الطورية في المواد الصلبة عند إجرائها في درجات حرارة مختلفة. ونظرًا للتناظر، فإن متوسط الإزاحات يصبح صفرًا في الحالة السائلة، لذا لا يمكن قياس أطياف الرنين النووي الرباعي إلا للمواد الصلبة.
التناظر مع الرنين النووي المغناطيسي
في حالة الرنين المغناطيسي النووي، تمتلك النوى ذات اللف المغزلي ≥ 1/2 عزم ثنائي قطب مغناطيسي بحيث يتم تقسيم طاقاتها بواسطة مجال مغناطيسي، مما يسمح بامتصاص الرنين للطاقة المتعلقة بتردد لارمور :
أينهي النسبة المغناطيسية الدورانية وهو المجال المغناطيسي (المطبق عادةً) الخارجي للنواة.
في حالة الرنين النووي الرباعي، تمتلك النوى ذات اللف المغزلي ≥ 1، مثل النيتروجين -14 (لف مغزلي 1)، والأكسجين -17 (لف مغزلي 5/2)، والكلور -35 (لف مغزلي 3/2)، والنحاس -63 (لف مغزلي 3/2)، عزمًا كهربائيًا رباعي الأقطاب Q، والذي توجد بين مستويات الطاقة التي يمكن ملاحظة الرنين بينها، حتى في غياب المجال المغناطيسي. تُظهر النوى ذات اللف المغزلي 1 أو 3/2 خط رنين واحد فقط، بينما تُظهر النواة ذات اللف المغزلي 5/2 خطي رنين، أحدهما بتردد مضاعف للآخر. [ 1 ]
يرتبط عزم رباعي الأقطاب النووي بتوزيعات الشحنة النووية غير الكروية. ولذلك، فهو مقياس لمدى انحراف توزيع الشحنة النووية عن الشكل الكروي، أي الشكل المطاول أو المفلطح للنواة. يُعدّ الرنين الرباعي الأقطاب النووي (NQR) رصدًا مباشرًا لتفاعل عزم رباعي الأقطاب مع تدرج المجال الكهربائي المحلي (EFG) الناتج عن البنية الإلكترونية للبيئة المحيطة. تتناسب ترددات انتقال NQR طرديًا مع حاصل ضرب عزم رباعي الأقطاب الكهربائي للنواة ومقياس لقوة تدرج المجال الكهربائي المحلي.
حيث يرتبط q بأكبر مكون رئيسي لموتر EFG عند النواة.ويُشار إليه باسم ثابت اقتران رباعي الأقطاب.
من حيث المبدأ، يمكن لمُجري تجربة الرنين النووي الرباعي تطبيق مجال كهربائي محدد من أجل التأثيرتمامًا كما أن مُجرِّب الرنين النووي المغناطيسي حرٌّ في اختيار تردد لارمور عن طريق ضبط المجال المغناطيسي. مع ذلك، في المواد الصلبة، تصل قوة المجال الكهربائي إلى عدة كيلوفولت/متر مربع، مما يجعل تطبيق تدرجات المجال الكهربائي في الرنين النووي الرباعي غير عملي، على غرار اختيار المجالات المغناطيسية الخارجية في الرنين النووي المغناطيسي. ونتيجةً لذلك، يكون طيف الرنين النووي الرباعي للمادة خاصًا بها، ويُعدّ بمثابة "بصمة كيميائية". ولأن ترددات الرنين النووي الرباعي لا يختارها المُجرِّب، فقد يصعب تحديدها، مما يجعل الرنين النووي الرباعي تقنيةً معقدةً تقنيًا. ولأن الرنين النووي الرباعي يُجرى في بيئة خالية من المجال المغناطيسي الثابت (أو المستمر)، يُطلق عليه أحيانًا اسم " الرنين النووي المغناطيسي في غياب المجال ". وتعتمد العديد من ترددات انتقال الرنين النووي الرباعي اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة.
اشتقاق تردد الرنين
المصدر: [ 2 ]
لنفترض نواة ذات عزم رباعي الأقطاب غير صفريوكثافة الشحنة، والتي تحيط بها إمكانيةقد ينشأ هذا الجهد من الإلكترونات كما ذُكر سابقًا، والتي قد يكون توزيع احتمالاتها غير متجانس بشكل عام. تساوي طاقة الوضع في هذا النظام التكامل على توزيع الشحنة.والإمكاناتضمن نطاق:
يمكن كتابة الجهد على شكل متسلسلة تايلور عند مركز النواة المدروسة. تتوافق هذه الطريقة مع متسلسلة الأقطاب المتعددة في الإحداثيات الديكارتية (لاحظ أن المعادلات أدناه تستخدم اصطلاح جمع أينشتاين):
المصطلح الأول الذي يتضمنلن يكون ذلك ذا صلة، وبالتالي يمكن حذفه. بما أن النوى لا تمتلك عزم ثنائي قطب كهربائي، والذي سيتفاعل مع المجال الكهربائيويمكن إهمال المشتقات الأولى أيضًا. وبالتالي، يتبقى لدينا جميع التوليفات التسع للمشتقات الثانية. ومع ذلك، إذا تعاملنا مع نواة متجانسة مفلطحة أو متطاولة، فإن المصفوفةستكون العناصر قطرية وذاتتتلاشى. وهذا يؤدي إلى تبسيط لأن معادلة طاقة الوضع تحتوي الآن فقط على المشتقات الثانية بالنسبة لنفس المتغير:
تتعلق الحدود المتبقية في التكامل بتوزيع الشحنة، وبالتالي بعزم رباعي الأقطاب. ويمكن تبسيط الصيغة أكثر بإدخال تدرج المجال الكهربائي.باختيار المحور z باعتباره المحور الذي يحتوي على المكون الرئيسي الأقصىوباستخدام معادلة لابلاس للحصول على التناسب المذكور أعلاه. لـالنواة التي نحصل عليها من خلال علاقة التردد والطاقة:
التطبيقات
يستكشف الرنين النووي الرباعي (NQR) التفاعل بين عزم رباعي الأقطاب النووي وتدرج المجال الكهربائي عند النواة. ولأن موتر تدرج المجال الكهربائي ينشأ من كثافة السحابة الإلكترونية حول منطقة معينة، فإن الرنين النووي الرباعي شديد الحساسية للتغيرات في توزيع الشحنة الإلكترونية المحيطة بالنواة النشطة في الرنين النووي الرباعي. هذه الحساسية تجعل مطيافية الرنين النووي الرباعي طريقة مفيدة لدراسة الروابط، والخصائص البنيوية، والتحولات الطورية، والديناميكيات الجزيئية في المركبات الصلبة. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
على سبيل المثال، أثبتت مطيافية الرنين النووي الرباعي (NQR) جدواها كأداة مفيدة في مجال المستحضرات الصيدلانية. وبشكل أكثر تحديدًا، سمح تطبيق تقنية 14N -NQR بالتمييز بين المركبات المتماثلة ضوئيًا والمخاليط الراسيمية ، وتحديدًا بين D-سيرين وL-سيرين. يمتلك هذان المركبان، على الرغم من تشابه تركيبهما، خصائص مميزة. فمن جهة، يُعد D-سيرين مؤشرًا حيويًا محتملاً لمرض الزهايمر، بالإضافة إلى كونه علاجًا محتملاً للفصام. ومن جهة أخرى، يُعد L-سيرين دواءً يخضع لتجارب سريرية بشرية معتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) نظرًا لإمكانية استخدامه في علاج التصلب الجانبي الضموري. وباستخدام تقنية NQR، يمكن التمييز بين خليط L/D-سيرين وL/D-سيرين النقي. تجدر الإشارة إلى أنه لا يمكن التمييز بين L-سيرين وD-سيرين نظرًا لارتباطهما بانعكاس ضوئي. [ 6 ] [ 4 ]
وبالمثل، يتمتع الرنين النووي الرباعي (NQR) بالقدرة على التمييز بين الأشكال البلورية المتعددة . فعلى سبيل المثال، أظهرت الأدوية المحتوية على السلفوناميد قابليةً للتعدد الشكلي. وتتيح الاختلافات في ترددات الرنين النووي الرباعي، إلى جانب ثوابت اقتران رباعي الأقطاب ومعاملات عدم التناظر، التمييز بين الأشكال المتعددة كما هو الحال مع المركبات المتماثلة ضوئياً. [ 4 ] إن التمييز بين الأشكال المتعددة بهذه الطريقة يجعل من الرنين النووي الرباعي أداةً فعالةً للتحقق من صحة الأدوية ضد المنتجات المقلدة. [ 7 ] [ 8 ]
توجد عدة مجموعات بحثية حول العالم تعمل حاليًا على تطوير طرق لاستخدام تقنية الرنين النووي الرباعي (NQR) للكشف عن المتفجرات. وقد تم اختبار وحدات مصممة للكشف عن الألغام الأرضية [ 9 ] والمتفجرات المخفية في الأمتعة. يتكون نظام الكشف من مصدر طاقة بترددات الراديو (RF)، وملف لتوليد مجال الإثارة المغناطيسية، ودائرة كاشف ترصد استجابة الرنين النووي الرباعي (NQR) بترددات الراديو الصادرة من المكون المتفجر للجسم.
ادّعى جهاز مزيف يُعرف باسم ADE 651 أنه يستغل تقنية NQR للكشف عن المتفجرات، ولكنه في الواقع لا يستطيع فعل ذلك. ومع ذلك، بيع الجهاز بنجاح بملايين الدولارات لعشرات الدول، بما في ذلك حكومة العراق.
من الاستخدامات العملية الأخرى لتقنية NQR قياس كمية الماء/الغاز/النفط المتدفقة من بئر نفطية في الوقت الفعلي. تتيح هذه التقنية مراقبة عملية الاستخراج محليًا أو عن بُعد، وحساب السعة المتبقية للبئر، ونسبة الماء/المنظفات التي يجب أن تضخها مضخة الإدخال لاستخراج النفط بكفاءة.
نظراً لاعتماد تردد الرنين النووي الرباعي (NQR) بشكل كبير على درجة الحرارة، يمكن استخدامه كمستشعر دقيق لدرجة الحرارة بدقة تصل إلى 10⁻⁴ درجة مئوية. [ 10 ]

يتمثل القيد الرئيسي لهذه التقنية في وفرة النظائر. تتطلب تقنية الرنين النووي الرباعي (NQR) وجود عزم رباعي الأقطاب غير صفري، والذي لا يُرصد إلا في النوى ذات اللف المغزلي النووي الأكبر من أو يساوي واحدًا ( I ≥ 1 ) والتي ينحرف توزيع شحنتها الموضعي عن التناظر الكروي. [ 11 ] [ 12 ] [ 2 ] تتطلب تقنية NQR أحجام عينات كبيرة نسبيًا نظرًا لانخفاض شدة الإشارات. [ 3 ] [ 4 ] يُشكل هذا الأمر عقبات تجريبية نظرًا لأن غالبية النوى النشطة في تقنية NQR تتميز بوفرة نظائرية منخفضة . ومع ذلك، فقد أثبتت مطيافية NQR فائدتها في سياقات متنوعة، كما ذُكر سابقًا.
مراجع
- ↑ كارينغتون، آلان؛ ماكلاكلان، أندرو د. (1967). مقدمة في الرنين المغناطيسي . هاربر آند رو (رقم فهرس مكتبة الكونغرس 67-10200). الصفحات 36-38 .
- 1 2 سميث، جيه إيه إس (يناير 1971). "مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب" . مجلة التعليم الكيميائي . 48 : 39-41 . doi : 10.1021/ed048p39 .
- 1 2 فان برونزويك، دبليو. (1970). "تطبيق مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب لدراسة مركبات الفلزات الانتقالية" . البنية والترابط . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر: 87-113 . doi : 10.1007/BFb0118900 . ISBN 978-3-540-36326-2.
- 1 2 3 4 بولشوك، أ. خ.؛ لاتوسينسكا، ج. ن.؛ لاتوسينسكا، م. (2017-01-01)، "رنين رباعي الأقطاب النووي، التطبيقات☆" ، في ليندون، جون س.؛ ترانتر، جورج إ.؛ كوبينال، ديفيد و. (محررون)، موسوعة التحليل الطيفي والقياس الطيفي (الطبعة الثالثة) ، أكسفورد: أكاديميك برس، ص 432-446 ، doi : 10.1016/b978-0-12-409547-2.12673-3 ، ISBN 978-0-12-803224-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 نوفمبر 2024
- ↑ سيليجر، جانيز (1999-01-01)، "الرنين النووي الرباعي الأقطاب، النظرية*" ، في ليندون، جون سي. (محرر)، موسوعة التحليل الطيفي والقياس الطيفي (الطبعة الثانية) ، أكسفورد: أكاديميك برس، ص 1975-1983 ، doi : 10.1016/b978-0-12-374413-5.00235-9 ، ISBN 978-0-12-374413-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 نوفمبر 2024
- ^ فيرنر-زفانزيجر، أولريكه؛ زيجويد، مارسيا؛ بلاك، بروس؛ ألكسندر باينز (1 ديسمبر 1994). "النيتروجين-14 الحبار NQR من L-Ala-L-His و من سيرين" . Zeitschrift für Naturforschung A. 49 (12): 1188–1192 . دوى : 10.1515/zna-1994-1213 .
- ↑ كيرياكيدو، جورجيا؛ جاكوبسون، أندرياس؛ ألثوفر، كاسبار؛ باراس، جيمي (2015-04-07). "التمييز بين الدفعات باستخدام مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب" . الكيمياء التحليلية . 87 (7): 3806-3811 . doi : 10.1021/ac5044658 . ISSN 0003-2700 .
- ↑ باراس، جيمي؛ مورنان، داراغ؛ ألثوفر، كاسبار؛ عاصي، سولاف؛ رو، مايكل د.؛ بوبليت، إيان جيه إف؛ كيرياكيدو، جورجيا؛ سميث، جون إيه إس (5 مارس 2013). "مطيافية الرنين النووي الرباعي للنيتروجين-14: منهجية تحليلية واعدة للتحقق من صحة الأدوية وتحليل مضادات الملاريا المزيفة" . الكيمياء التحليلية . 85 (5): 2746-2753 . doi : 10.1021/ac303267v . ISSN 0003-2700 .
- ↑ الملحق ك: رنين رباعي الأقطاب النووي ، بقلم ألين ن. غارواي، مختبر الأبحاث البحرية . في جاكلين ماكدونالد، جيه آر لوكوود: بدائل للكشف عن الألغام الأرضية . التقرير MR-1608، مؤسسة راند، 2003.
- ↑ لي، جيمس ر. (1988). قياس درجة الحرارة والتحكم بها . لندن: بيتر بيرغرينوس المحدودة. ص 48. ISBN 0-86341-111-8.
- ↑ شيمب، إلوري؛ براي، بي جيه (1970-01-01)، "الفصل 11 - مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب" ، في هندرسون، دوغلاس (محرر)، الخصائص الجزيئية ، أكاديميك برس، ص 521-632 ، doi : 10.1016/b978-0-12-245604-6.50017-1 ، ISBN 978-0-12-245604-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 نوفمبر 2024
- ↑ سوتس، برايان هـ. (2006)، "مطيافية الرنين النووي الرباعي الأقطاب" ، في فيج، د. ر. (محرر)، دليل مطيافية الحالة الصلبة التطبيقية ، بوسطن، ماساتشوستس: سبرينغر الولايات المتحدة، ص 65-96 ، doi : 10.1007/0-387-37590-2_2 ، ISBN 978-0-387-37590-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 نوفمبر 2024
- الرنين المغناطيسي النووي
