NMR

NMR (lyhenne sanoista nuclear magnetic resonance) eli ydinmagneettinen resonanssi on ilmiö, jossa voimakkaassa magneettikentässä oleva atomiydin absorboi energiaa radiotaajuisesta sähkömagneettisesta kentästä.^[1][2] Felix Bloch ja Edward Purcell selittivät NMR-ilmiön toisistaan riippumatta vuonna 1946 ja he saivat aiheesta jaetun Nobelin-palkinnon vuonna 1952.^[3]

Tämä artikkeli käsittelee NMR-ilmiötä yleisesti. Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia käsittelee tutkimusmenetelmää.

Resonanssiehto

Magneettikentässä oleva atomiydin absorboi radiotaajuista sähkömagneettista säteilyä (RF-säteilyä) resonanssitaajuudella ${\displaystyle \scriptstyle \nu }$, jonka suhde ytimen kohdalla vaikuttavaan magneettikentän voimakkuuteen ${\displaystyle \scriptstyle B_{0}}$ on:

${\displaystyle \nu ={\frac {\gamma B_{0}}{2\pi }}}$,^[4]

missä ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ on atomiytimelle ominainen gyromagneettinen suhde.

Tavallisen vetyatomin ytimen (¹H) gyromagneettinen suhde on γ = 2π 42,58 MHz/T eli yhden teslan magneettikentässä vedyn ydinmagneettinen resonanssitaajuus on noin 42,58 MHz^[5], hieman riippuen vety-ytimen kemiallisesta ympäristöstä.

Resonanssitaajuutta vastaava kulmataajuus on yhtä suuri kuin kyseisen ytimen Larmorin presession kulmataajuus.

Ydinmagneettisen resonanssin havaitseminen

Ydinmagneettinen resonanssi voidaan havaita kohdistamalla magneettikentässä olevaan näytteeseen tutkittavan ytimen resonanssitaajuutta vastaavaa radiotaajuista sähkömagneettista säteilyä. Tavallisimmin näytteeseen kohdistetaan lyhytkestoinen RF-pulssi, jonka ydin ensin absorboi ja sitten emittoi. Ytimen emittoima säteily havaitaan herkällä vastaanottimella. Ilmiö muistuttaa ääniraudan sointia iskun jälkeen. Jos näytteessä on keskenään erilaisissa kemiallisessa tai fysikaalisessa ympäristöissä olevia ytimiä, niiden emittoimien signaalien taajuudet poikkeavat hieman toisistaan ja ne voidaan erottaa toisistaan Fourier-muunnoksen avulla.

Signaali voidaan vastaanottaa joko heti virityspulssin jälkeen tai joissakin sovelluksissa voidaan generoida ns. spin-kaiku.

NMR-spektroskopia

NMR-spektroskopia eli ydinmagneettinen resonanssispektroskopia perustuu siihen, että magneettisten atomiydinten energiatilat ja ydinten käyttäytyminen magneettikentässä riippuvat herkällä tavalla ydinten fysikaalis-kemiallisesta ympäristöstä ja nämä riippuvuudet näkyvät ydinmagneettisen resonanssisignaalin spektrissä mm. resonanssitaajuuden kemiallisena siirtymänä.

NMR on molekyylien rakennetutkimuksen perusväline. Se on ainoa menetelmä, jolla nesteeseen liuotetusta molekyylistä voidaan ratkaista sen rakenne ja myös sen kolmiulotteinen avaruusrakenne^[6]. NMR-menetelmässä mitattavasta yhdisteestä saadaan spektri, josta nähdään yhdisteen jokaisen atomin kemiallisesta ympäristöstä riippuva resonanssitaajuuden kemiallinen siirtymä ja signaalin intensiteetti (samanlaisten ytimien lukumäärä), sekä kytkeytyminen (saadaan tietoa muista läheisistä ytimistä ja molekyylin avaruusrakenteesta). Menetelmällä voidaan tutkia myös kiinteitä aineita tai kaasumaisia näytteitä. Rakenteen lisäksi NMR antaa tietoa molekyylien tai niiden osien liiketiloista.

Sovelluksia

Magneettikuvaus on yksi merkittävimmistä NMR-sovelluksista. Kuvantamista voidaan käyttää myös materiaalien ja esimerkiksi biologisten näytteiden rakenteen tutkimiseen. Magneettikuvauksen kontrasti eri kudosten välillä perustuu etupäässä protonitiheyteen, ydinten relaksaatioaikojen T1 ja T2 eroihin, sekä virtaukseen ja kemialliseen siirtymään.

Katso myös

• Röntgenkristallografia
• Kryo-elektronimikroskopia
• Rakennebiologia

Lähteet

1. Harris, Robin K.: ”Kappale 1, The fundamentals”, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, s. 1. Books, Pitman, 1983. ISBN 0-273-01684-9 (englanniksi)
2. The American heritage science dictionary, s. 434. Harcourt, Houghton Mifflin, 2005. ISBN 9780618455041 (englanniksi)
3. Sharma: Atomic and Nuclear Physics, s. 544. Pearson Education India, 2008. ISBN 9788131719244 (englanniksi)
4. Charles Poole & Mac Iver: The physical-chemical properties of chromia-alumina catalyst. Advances in Catalysis, volume 17, 1967, s. 232. doi:10.1016/s0360-0564(08)60688-4 Artikkelin verkkoversio. Viitattu 13.12.2016. (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
5. Kittel, C: "Introduction to Solid State Physics", 4th ed., sivu 578. Wiley, 1971
6. Cavanagh J. & Fairbrother W. & Palmer A. & Rance M. & Skelton N.: Protein NMR Spectroscopy -principles and practice. Elsevir academic press, 2007. Eng

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta NMR Wikimedia Commonsissa