Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)

Zastosowania spektroskopii NMR

Spektroskopia NMR jest nieniszczącą i nieinwazyjną techniką wykorzystywaną do określania struktury i dynamiki molekularnej. Zastosowania NMR są zróżnicowane i obejmują następujące obszary badawcze i branże:

• W biologii NMR jest stosowany do badania makrocząsteczek, takich jak białka, lipidy i kwasy nukleinowe. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na i ¹⁹F to najczęściej stosowane metody NMR./sup>F są najbardziej istotnymi biologicznie jądrami aktywnymi NMR, wykorzystywanymi do zrozumienia szlaków biochemicznych zaangażowanych w metabolizm aminokwasów, lipidów i węglowodanów.
• W chemii jest szeroko stosowany zarówno do analizy jakościowej, jak i ilościowej w celu monitorowania reakcji, identyfikacji struktur i oceny czystości.
• W nauce o polimerach, do analizy stosunku monomerów, masy cząsteczkowej, taktyczności, sekwencjonowania, długości łańcucha i rozgałęzień oraz do określania grup końcowych.
• W przemyśle farmaceutycznym, do określania czystości i ilości składników aktywnych, zaróbek i zanieczyszczeń w produktach farmaceutycznych
• W przemyśle naftowym, do oceny węglowodorów surowej ropy naftowej i jej produktów.
• W medycynie, obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI) jest zastosowaniem NMR używanym do analizy tkanek miękkich w celu identyfikacji uszkodzonych lub chorych tkanek.

Zasady spektroskopii NMR

Spin jądrowy jest związany ze składem jądra pierwiastka. Jądra zawierające parzystą liczbę protonów i neutronów mają spin jądrowy równy 0 i nie mogą być poddawane spektroskopii NMR (np. ⁴He,¹²C,¹⁶O). Jądra o nieparzystej liczbie protonów i/lub neutronów wykazują spin jądrowy i mogą doświadczać NMR (np. ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Jądra te zachowują się jak małe wirujące magnesy i mogą oddziaływać z zewnętrznym polem magnetycznym. Jądra wirujące wytwarzają również własne pole magnetyczne, które może oddziaływać z innymi jądrami posiadającymi spin.

Instrument NMR mierzy interakcję jądrowych stanów spinowych pod wpływem silnego pola magnetycznego. Pole magnetyczne powoduje, że jądra ulegają precesji (obracają się) jak wirująca góra. Jądro precesyjne selektywnie pochłania energię z fal o częstotliwości radiowej, gdy częstotliwość jądra precesyjnego jest zgodna z niską częstotliwością zewnętrzną oddziałujących z nim fal o częstotliwości radiowej. Gdy zachodzi taka absorpcja, mówi się, że jądro precesyjne i fale o częstotliwości radiowej są w "rezonansie", stąd termin magnetyczny rezonans jądrowy. Rezonans można wytworzyć poprzez dostrojenie częstotliwości jąder do stałej częstotliwości fal radiowych lub poprzez dostrojenie częstotliwości fal radiowych do częstotliwości jąder.

Podczas NMR przyłożone pole magnetyczne wzbudza jądra o różnych momentach magnetycznych na różnych poziomach energetycznych. Po zaabsorbowaniu charakterystycznej częstotliwości radiowej, jądra w stanie wzbudzonym powracają do niższych stanów energetycznych, przenosząc energię do otaczającego środowiska. Gdy energia jest przekazywana do innych atomów lub rozpuszczalnika, proces relaksacji nazywany jest "relaksacją spinowo-sieciową". Jeśli energia jest przekazywana do sąsiednich jąder na tym samym poziomie energetycznym, proces ten nazywany jest "relaksacją spin-spin". Te dwa procesy relaksacji charakteryzują się stałymi czasowymi: czasem relaksacji spin-siatka (T₁) i czasem relaksacji spin-spin (T₂), które są odpowiedzialne za wynikowe widmo NMR.

Charakterystyka widma NMR

Widmo NMR to wykres zastosowanej częstotliwości radiowej względem absorpcji. Pozycja na wykresie, w której jądra absorbują, nazywana jest przesunięciem chemicznym. Na przesunięcie chemiczne ma wpływ gęstość elektronów wokół jądra. Jeśli jądro jest otoczone przez wysoką gęstość elektronów, jądro jest chronione przed zewnętrznym polem magnetycznym, co przesuwa sygnały w górę widma NMR. Jeśli jądro jest otoczone przez atom elektroujemny, usuwa on gęstość elektronów wokół jądra i powoduje efekt "deshieldingu". Powoduje to przesunięcie sygnału "w dół" widma NMR. Spin sąsiednich jąder również wpływa na sygnały widoczne na widmie NMR i może powodować rozszczepienie sygnału NMR, znane jako "sprzężenie spinowo-spinowe".