Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

핵자기공명(NMR) 분광법은 시료의 분자 구조, 화학 성분을 측정하기 위해 이용되는 분석 기법입니다. 강력한 자기장에서 핵스핀의 상호작용을 분석하여 작동합니다. NMR 분광법에서, 정적 외부 자기장은 분자의 특정 핵이 선택적인 무선주파수를 흡수하도록 유발합니다. 흡수된 에너지는 핵스핀에서 전이를 유발하며, 이는 NMR 스펙트럼에서 관찰할 수 있습니다.

NMR 분광법 애플리케이션

NMR 분광법은 분자 구조와 역학을 측정하도록 이용되는 비파괴적 및 비침습적 기법입니다. NMR 애플리케이션은 다양하며 다음과 같은 연구 분야와 산업을 포함합니다.

• 생물학에서, NMR은 단백질, 지질 및 핵산과 같은 거대분자의 연구에 적용됩니다. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na 및 ¹⁹F는 생물학적으로 가장 관련된 NMR-활성 핵이며, 아미노산, 지질 및 탄수화물 대사에 포함된 생화학적 경로를 이해하기 위해 사용합니다.
• 화학에서, 반응을 모니터하고, 구조를 식별하며 순도를 평가하는 정성 및 정량 분석에 널리 사용됩니다.
• 폴리머 과학에서, 단일체 비율, 분자량, 입체규칙도(tacticity), 서열, 사슬 길이 및 줄기를 분석하고 종단기를 결정합니다.
• 제약 산업에서, 제약 제품에 있는 활성 성분의 순도 및 수량, 부형제 및 불순물을 측정합니다.
• 석유 산업에서, 비가공 석유 및 제품의 탄화수소를 평가합니다.
• 의학에서, 자기공명영상(MRI)은 손상 또는 질환성 조직의 식별을 위해 연조직 분석에 이용되는 NMR의 애플리케이션입니다.

NMR 분광법의 원리

핵스핀은 원소 핵의 구성과 관련이 있습니다. 양성자 및 중성자 모두 짝수인 핵은 0 핵스핀이며 NMR을 수행할 수 없습니다(예, ⁴He,¹²C,¹⁶O). 홀수의 양성자 및/또는 중성자를 가지는 핵은 핵스핀을 나타내며 NMR을 경험합니다(예, ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). 이러한 핵은 회전하는 작은 자석처럼 행동하며 외부 자기장과 상호작용할 수 있습니다. 또한 회전하는 핵은 자신 고유의 자기장을 생성하여 회전하는 다른 핵과 상호작용할 수 있습니다.

NMR 기기는 강한 자기장의 영향 아래에서 핵스핀 상태의 상호작용을 측정합니다. 자기장은 핵이 회전하는 팽이와 같이 세차 운동(회전)을 하도록 유발합니다. 세차 운동을 하는 핵은 무선주파수 파동의 외부 저주파수와 세차 운동 핵의 주파수가 일치하는 경우 무선주파수 파동으로부터 에너지를 선택적으로 흡수합니다. 이러한 흡수가 발생하는 경우, 세차 운동 핵과 무선주파수 파동은 “공명”, 따라서 해당 용어인 핵자기공명이 되었다고 말합니다. 공명은 핵의 주파수를 무선 파동의 고정 주파수에 맞추거나 무선 파동의 주파수를 핵의 주파수에 맞추어 만들 수 있습니다.

NMR 동안, 적용된 자기장은 다양한 에너지 수준에 걸친 다른 자기 모멘트를 가진 핵을 여기(excite)시킵니다. 특징적인 무선주파수를 흡수한 후, 여기 상태의 핵은 에너지를 주위 환경에 이전하여 낮은 에너지 상태로 복귀합니다. 다른 원자 또는 용매에 에너지가 전이될 때, 이는 ‘스핀-격자 이완(spin-lattice relaxation)’이라는 이완 과정입니다. 에너지가 동일한 에너지 수준의 주변 핵에 이전되는 경우, 해당 과정을 ‘스핀-스핀 이완(spin-spin relaxation)’이라는 용어로 지칭합니다. 이러한 두 개의 이완 과정은 다음의 시간 상수로 규명됩니다. 다음: 스핀-격자 이완 시간(T₁) 그리고 스핀-스핀 이완 시간(T₂)이며, 이는 결과적인 NMR 스펙트럼을 발생합니다.

NMR 스펙트럼의 특징

NMR 스펙트럼은 흡수에 대해 적용한 무선주파수의 도표입니다. 도표에서 핵이 흡수한 위치를 화학적 이동이라고 합니다. 화학적 이동은 핵 주위의 전자 밀도에 영향을 받습니다. 핵이 고밀도의 전자에 둘러싸인 경우, 해당 핵은 외부 자기장으로부터 차폐되어 NMR 스펙트럼에서 신호를 상위영역으로 이동시킵니다. 핵인 전기음성적 원자에 둘러싸인 경우, 해당 핵 주위의 전자 밀도를 제거하여 ‘탈차폐’ 효과를 유발합니다. 이는 NMR 스펙트럼에서 신호를 ‘하위영역’으로 이동시킵니다. 주위 핵의 스핀 역시 NMR 스펙트럼에서 보이는 신호에 영향을 주며, ‘스핀-스핀 커플링’(spin-spin coupling)으로 알려진 NMR 신호의 분리를 유발할 수 있습니다.