Nukleáris mágneses rezonancia (NMR)

Az NMR-spektroszkópia alkalmazásai

Az NMR-spektroszkópia egy roncsolásmentes és nem invazív technika, amelyet a molekulák szerkezetének és dinamikájának meghatározására használnak. Az NMR alkalmazásai sokrétűek, és a következő kutatási területekre és iparágakra terjednek ki:

• A biológiában az NMR-t makromolekulák, például fehérjék, lipidek és nukleinsavak vizsgálatára alkalmazzák. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, és ¹⁹Na/sup>F a biológiailag legfontosabb NMR-aktív magok, amelyeket az aminosav-, lipid- és szénhidrát-anyagcserében részt vevő biokémiai útvonalak megértéséhez használnak.
• A kémiában széles körben használják mind minőségi, mind mennyiségi elemzésekre a reakciók nyomon követésére, a szerkezetek azonosítására és a tisztaság értékelésére.
• A polimer tudományban a monomer arány, a molekulatömeg, a taktikusság, a szekvencia, a lánchossz és az elágazás elemzésére, valamint a végcsoportok meghatározására.
• A gyógyszeriparban a gyógyszeripari termékekben lévő hatóanyagok, segédanyagok és szennyeződések tisztaságának és mennyiségének meghatározására
• A kőolajiparban a nyers kőolaj és az abból készült termékek szénhidrogének értékelésére.
• Az orvostudományban a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) az NMR egyik alkalmazása, amelyet lágyszövetek elemzésére használnak a sérült vagy beteg szövetek azonosítására.

A NMR spektroszkópia alapelvei

A nukleáris spin az elem magjának összetételével függ össze. A páros számú protonokat és neutronokat egyaránt tartalmazó atommagok 0 nukleáris spinnel rendelkeznek, és nem tudnak NMR-t végezni (pl. ⁴He,¹²C,¹⁶O). A páratlan számú protonokkal és/vagy neutronokkal rendelkező atommagok magspint mutatnak és NMR-t tapasztalhatnak (pl. ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Ezek az atommagok úgy viselkednek, mint apró forgó mágnesek, és kölcsönhatásba léphetnek külső mágneses térrel. A forgó atommagok saját mágneses mezőt is létrehoznak, amely kölcsönhatásba léphet más, spinnel rendelkező atommagokkal.

Az NMR műszer erős mágneses tér hatására méri a magspin állapotok kölcsönhatását. A mágneses mező hatására az atommagok pörögnek (forognak), mint egy forgócsúcs. A precesszáló atommag szelektíven elnyeli a rádiófrekvenciás hullámok energiáját, amikor a precesszáló atommag frekvenciája megegyezik a vele kölcsönhatásba lépő rádiófrekvenciás hullámok alacsony külső frekvenciájával. Amikor ez az elnyelés bekövetkezik, a precesszáló mag és a rádiófrekvenciás hullámok "rezonanciában" vannak, innen ered a mágneses magrezonancia kifejezés. A rezonancia előállítható az atommagok frekvenciájának a rádióhullámok rögzített frekvenciájához való hangolásával, vagy a rádióhullámok frekvenciájának az atommagok frekvenciájához való hangolásával.

Az NMR során az alkalmazott mágneses tér különböző mágneses momentumokkal rendelkező atommagokat gerjeszt különböző energiaszinteken. A gerjesztett állapotú atommagok egy jellegzetes rádiófrekvencia elnyelése után a környező környezetnek történő energiaátadással alacsonyabb energiaállapotba térnek vissza. Ha az energia más atomok vagy az oldószer felé kerül átadásra, a relaxációs folyamatot "spin-lattice relaxációnak" nevezzük. Ha az energia átadódik az azonos energiaszinten lévő szomszédos atommagoknak, a folyamatot "spin-spin relaxációnak" nevezzük. E két relaxációs folyamatot időállandókkal jellemezzük: spinrácsrelaxációs idő (T₁) és spin-spin relaxációs idő (T₂), amelyek a keletkező NMR-spektrumért felelősek.

Az NMR-spektrum jellemzői

Az NMR-spektrum az alkalmazott rádiófrekvencia és az abszorpció grafikonja. A grafikonon azt a pozíciót, ahol az atommagok elnyelődnek, kémiai eltolódásnak nevezzük. A kémiai eltolódást befolyásolja az atommagot körülvevő elektronsűrűség. Ha egy atommagot nagy elektronsűrűség vesz körül, az atommagot árnyékolja a külső mágneses tér, ami az NMR-spektrumon a jeleket felfelé tolja el. Ha egy atommagot elektronegatív atom vesz körül, akkor az megszünteti az elektronsűrűséget az atommag körül, és "árnyékolásmentesítő" hatást okoz. Ez az NMR-spektrumon a jelet "lefelé" tolja el. A szomszédos atommagok spinje szintén befolyásolja az NMR-spektrumon látható jeleket, és az NMR-jel felosztását okozhatja, amit "spin-spin csatolásnak" nevezünk.