Language
Country/Area
No result found
Độ dốc điện trường và mômen tứ cực hạt nhân: Hai yếu tố này quyết định tính chất của vật chất như thế nào?
Phổ cộng hưởng tứ cực hạt nhân (NQR) là một kỹ thuật phân tích hóa học có liên quan chặt chẽ đến cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Không giống như NMR, cộng hưởng hạt nhân NQR có thể được phát hiện mà không cần từ trường bên ngoài, do đó phổ NQR còn được gọi là "NMR trường không". Sự cộng hưởng của NQR được trung gian bởi sự tương tác giữa độ dốc điện trường (EFG) và mômen tứ cực của phân bố điện tích hạt nhân. Ngược lại với NMR, NQR chỉ áp dụng cho chất rắn chứ không áp dụng cho chất lỏng, vì trong chất lỏng, độ dốc điện trường gần hạt nhân trung bình bằng 0 và tenxơ EFG có dấu vết bằng 0. Vì EFG của vị trí hạt nhân cụ thể trong một chất được xác định chủ yếu bởi các electron hóa trị tham gia vào các liên kết cụ thể với các hạt nhân gần đó, nên tần số NQR của quá trình chuyển đổi là duy nhất trong chất đó.
Tần số NQR trong một hợp chất hoặc tinh thể cụ thể tỷ lệ thuận với tích của mômen tứ cực hạt nhân (một tính chất của hạt nhân) và EFG gần hạt nhân.
Một hiện tượng tương tự nhưng không giống hệt trong NMR là hằng số ghép nối, cũng là kết quả của tương tác giữa các hạt nhân trong chất phân tích. Bất kỳ hạt nhân nào có nhiều hơn một hạt nhân không ghép đôi (proton hoặc neutron) sẽ có sự phân bố điện tích tạo ra mômen tứ cực điện. Các mức năng lượng hạt nhân được phép thay đổi không đều do sự tương tác giữa điện tích hạt nhân với độ dốc điện trường tạo ra bởi sự phân bố không đều của mật độ electron.
Năng lượng hướng vào hạt nhân thông qua bức xạ điện từ có thể khiến hạt nhân hấp thụ một số năng lượng, có thể được coi là sự nhiễu loạn trong mức năng lượng tứ cực. Không giống như trường hợp NMR, sự hấp thụ trong NQR xảy ra khi không có từ trường bên ngoài. Áp dụng một trường tĩnh bên ngoài vào các hạt nhân tứ cực sẽ phân tách các mức năng lượng tứ cực theo tương tác Zeeman.
Công nghệ NQR rất nhạy cảm với bản chất và tính đối xứng của liên kết xung quanh lõi và có thể mô tả các thay đổi pha trong chất rắn ở các nhiệt độ khác nhau.
Do tính đối xứng, các dịch chuyển này có giá trị trung bình bằng 0 trong pha lỏng, do đó phổ NQR chỉ có thể được đo trong pha rắn. Trong trường hợp NMR, các hạt nhân có spin ≥ 1/2 sở hữu mômen lưỡng cực từ, do đó năng lượng của chúng có thể được phân chia bởi từ trường, dẫn đến sự hấp thụ cộng hưởng năng lượng liên quan đến tần số Larmor. Trong trường hợp NQR, các hạt nhân có spin ≥ 1, chẳng hạn như 14N, 17O, 35Cl và 63Cu, cũng có mômen tứ cực điện. Mômen tứ cực hạt nhân liên quan đến sự phân bố điện tích hạt nhân không phải hình cầu, biểu thị mức độ mà sự phân bố điện tích hạt nhân lệch khỏi hình cầu, tức là hình elip hoặc hình đĩa của hạt nhân.
NQR là quan sát trực tiếp sự tương tác giữa mômen tứ cực và độ dốc điện trường cục bộ (EFG) của môi trường xung quanh nó. Tần số chuyển tiếp NQR tỷ lệ thuận với mômen tứ cực điện của hạt nhân và cường độ EFG cục bộ. Tuy nhiên, trong chất rắn, cường độ của EFG đạt tới vài kilovolt trên một mét vuông, do đó không khả thi khi thực hiện các thí nghiệm NQR với một EFG cụ thể, như trong NMR, bằng cách chọn từ trường bên ngoài.
Phổ NQR là phổ đặc trưng của một chất và do đó được gọi là "dấu vân tay hóa học".
Do tần số NQR phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, NQR có thể được sử dụng như một cảm biến nhiệt độ chính xác với độ phân giải lên tới 10^−4 °C. Việc ứng dụng phổ NQR cũng có triển vọng rộng lớn và có tiềm năng to lớn để đóng vai trò trong ngành dược phẩm. Đặc biệt, ứng dụng 14N-NQR cho phép phân biệt các hợp chất đối quang trong hỗn hợp racemic, chẳng hạn như D-serine và L-serine. Mặc dù hai hợp chất này có thành phần tương tự nhau, nhưng chúng có đặc tính hoàn toàn khác nhau. D-serine có thể trở thành một dấu ấn sinh học cho bệnh Alzheimer và một loại thuốc điều trị bệnh tâm thần phân liệt, trong khi L-serine là một loại thuốc đang được FDA chấp thuận là thuốc A trên người trong các thử nghiệm lâm sàng được biết đến với khả năng điều trị bệnh xơ cứng teo cơ một bên.
NQR cũng có khả năng phân biệt các dạng đa hình tinh thể. Ví dụ, các hợp chất chứa thuốc sulfonamid đã cho thấy độ nhạy cảm với đa hình. Sự khác biệt về tần số NQR, cũng như sự khác biệt về hằng số liên kết tứ cực và các tham số bất đối xứng, cho phép phân biệt các dạng đa hình, một khả năng khiến NQR trở thành một công cụ mạnh mẽ để xác thực thuốc và chống làm giả.
Nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực phát triển công nghệ NQR để phát hiện chất nổ. Thiết bị được thiết kế để phát hiện mìn và chất nổ giấu trong hành lý đã được thử nghiệm. Hệ thống phát hiện như vậy bao gồm một nguồn điện tần số vô tuyến (RF), một cuộn dây tạo ra trường kích thích từ tính và mạch phát hiện theo dõi phản ứng RF NQR của chất nổ . . Ngay cả một thiết bị giả có tên ADE 651 cũng tuyên bố sử dụng NQR để phát hiện chất nổ, nhưng thực tế nó không làm được điều đó.
Tuy nhiên, thiết bị này đã được bán thành công với giá hàng triệu đô la cho hàng chục quốc gia, bao gồm cả chính phủ Iraq.
Hạn chế chính của NQR xuất phát từ sự phong phú của các đồng vị. NQR đòi hỏi sự hiện diện của mômen tứ cực khác không, chỉ được quan sát thấy ở các hạt nhân có spin lớn hơn hoặc bằng một và có phân bố điện tích cục bộ lệch khỏi tính đối xứng hình cầu. Mặc dù các kỹ thuật NQR hiện tại có cường độ tín hiệu thấp do hàm lượng đồng vị thấp của hầu hết các hạt nhân hoạt động NQR, nhưng quang phổ NQR vẫn cho thấy tính hữu ích của nó trong nhiều tình huống thực tế.
Trước những khả năng vô hạn của NQR, liệu chúng ta có thể phá vỡ những hạn chế công nghệ hiện tại trong tương lai và cho phép công nghệ này đóng vai trò lớn hơn trong nhiều lĩnh vực hơn không?
