мини|Нуклеарна магнетна резонанција Нуклеарно-магнетно-резонантна спектроскопија (НМР) је свестрана спектроскопска дисциплина која може да региструје сигнале атома из различитих положаја у молекулу и при томе да сваки сигнал доведе у везу са неком од познатих спинских интеракција, главним изворима података о молекулској структури и динамици. НМР спектроскопија је данас, уз рендгено-структурну анализу (кристалографију рендгенских зрака), једина метода којом може да се одреди структура биополимера са разлагањем на атомском нивоу.

Историјски преглед

НМР спектроскопија, као експериментална техника, позната је од 1946. године када су истраживачке групе из Станфорда и са Харварда независно успеле да детектују НМР сигнал у кондензованој материји. За тај проналазак водећи истраживачи Феликс Блох и Едвард Милс Парсел добили су Нобелову награду за физику 1952. године. Нуклеарни физичари су брзо изгубили интерес за НМР када се испоставило да опажене НМР фреквенције зависе од хемијске природе узорка па су главни развој методе преузели физикохемичари. Тако је године 1991. за развој Фуријеове НМР методе Нобелову награду за хемију добио Рикард Ернст из Института за физичку хемију ЕТХ, Цирих, а године 2002. Курт Витрих из Института за биофизику, ЕТХ Цирих, за развој НМР метода за одређивање структуре протеина.

Ништа мање није бурна ни НМР предисторија. Постојање нуклеарног спина постулирао је Паули још 1924. године да би објаснио хиперфину структуру спектралних линија. Године 1933. Ото Штерн је измерио магнетни момент протона (атомског језгра водоника) за шта је 1943. године добио Нобелову награду за физику. А Раби је 1938. године извео прве НМР експерименте у молекулским сноповима (дакле, не у кондензованој материји) за шта је 1944. и он добио Нобелову награду за физику.

Фантастична историја нуклеарне магнетне резонанције доживела је свој врхунац 2003. године када је Нобелова награда за медицину додељена Полу Латербуру и Питеру Менсфилду за открића у вези са сликањем меких ткива помоћу нуклеарне магнетне резонанције.

Из развојног пута НМР-а може најбоље да се сагледа улога науке и њен допринос цивилизацији. НМР је настао из пуке радозналости, дакле жеље физичара да сазнају нешто више о структури атомског језгра. Развоју методе су доста допринели хемичари у жељи да разумеју структуре органских молекула. Онда је метода продрла у биохемију за одређивање структуре биолошких макромолекула. Истовремено је нашла место у биологији за недеструктивно испитивање биолошких процеса да би данас постала незаменљива дијагностичка метода за снимање меких ткива. Године 1984. Америчко удружење радиолога је, да би уклонило асоцијацију на нуклеарне реакције и бомбе, из назива методе испустило нуклеарна па је у медицини НМР познат као магнетна резонанција.

Основне интеракције

мини|десно|350п|„Спин“. Стриктно, спин честице се односи на њен сопствени механички момент. Међутим, често се назив користи и за честицу као целину т. ј, за комбинацију магнетног и механичког момента. Спин атомског језгра је збир (не увек прост) спинова протона и неутрона који улазе у његов састав.

Атомска језгра елемената са непарним бројем протона и/или неутрона поседују механички момент (спин) и њему придружени магнетни момент. Спин атомског језгра, и њему придружени магнетни момент, нису куриозитет већ фундаментална особина протона и неутрона, попут масе или наелектрисања. Дакле, магнетни момент атомског језгра је универзална особина хемијских елемената. Само језгра са парним бројем протона и парним бројем неутрона немају магнетни момент, рецимо 4He, 12C, 16О... Међутим, за сваки елемент са парним редним бројем (парним бројем протона) може се наћи стабилни изотоп са непарним масеним бројем (непарним бројем неутрона) из којег се НМР сигнал може детектовати, на пример, 3He, 13C, 17О...

Нуклеарни спин у спољашњем магнетном пољу Ван магнетског поља енергија изолованог нуклеарног спина не зависи од његове оријентације. То је хипотетичка ситуација јер су у атомима и молекулима нуклеарни спинови окружени електронима. Око електрона се простире магнетско поље које потиче од сопственог спина електрона или од његовог орбиталног кретања. Дакле, у материји која нас окружује нуклеарни спинови се налазе у магнетском пољу али се та интеракција за све практичне сврхе може занемарити. Рецимо, интеракција нуклеарних спинова са магнетским пољем електрона (или, еквивалентно, интеракција електрона са магнетским пољем језгра) испољава се кроз хиперфино цепање спектралних линија што се може опазити само у специјалним случајевима и са инструментима врло високе моћи разлагања. Мали је број хемијских реакција (или природних процеса) чији исход зависи од постојања нуклеарног спина. У одсуству спољашњег магнетског поља нуклеарни спин је практично невидљив.

мини|десно|350п|Нуклеарни спинови ван магнетског поља хаотично су оријентисани. Спинска магнетна енергија једнака је нули. У магнетском пољу, спинови се оријентишу, али због квантне природе појаве, само у смеру поља или супротно пољу. Због тога се и њихов енергијски ниво цепа на два јер паралелна оријентација има различиту енергију од антипаралелне.

Унет у магнетско поље, нуклеарни спин се оријентише, попут магнетне игле компаса у магнетском пољу земље. Због квантне природе феномена, могуће су само дискретне оријентације чији је број дефинисан спинским квантним бројем -{I}-. Број оријентација је -{2I + 1}-; у најједноставнијем случају, када је -{I = 1/2}-, број оријентација је 2, па нуклеарни спин може да се оријентише само „паралелно“ или „антипаралелно“ спољашњем магнетском пољу. Знаци навода указују да је таква представа само приближна. Наиме, спин поседује и механички момент, дакле понаша се и као чигра. По аналогији, као што земљино гравитационо поље не може да обори чигру (док се окреће) већ је само наводи на прецесионо кретање тако и спољашње магнетско поље не може потпуно да оријентише спин већ га наводи на прецесионо кретање. Дакле, у спољашњем магнетском пољу спин прецесује око правца поља нагнут под одређеним углом. При томе је прецесиона фреквенција једнака резонантној фреквенцији.

Енергија спина у спољашњем магнетском пољу, као и код макроскопског магнетног момента, зависи од угла који спин заклапа са пољем. Пошто сваком углу одговара одређена енергија то су и могућа енергијска стања нуклеарног спина подељена на дискретне, добро дефинисане нивое. Енергијска разлика међу суседним нивоима зависи од природе спинова и јачине (индукције) спољашњег магнетског поља. Што је јаче поље то је и разлика већа.

Спински прелази

Спинови из једног енергијског нивоа у други могу да пређу под утицајем електромагнетних таласа, али само ако је енергија кванта електромагнетног таласа једнака енергијској разлици међу нивоима. Из услова за једнакост енергија (који се назива и резонантни услов) следи да, у датом пољу, прелаз могу да изазову само електромагнетни таласи одређене фреквенције. Када се енергије поклопе онда спин има једнаку вероватноћу да се нађе у неком од дозвољених стања, дакле, долази до резонанције. Отуда је и метода добила име нуклеарна магнетна резонанција (НМР) нуклеарна јер се ради о спиновима атомског језгра магнетна јер су у питању магнетни прелази резонанција зато што се електромагнетним таласима, при изједначавању енергија, спински систем доводи у резонанцију.

Пошто је број спинова у нижем енергијском нивоу већи од броја спинова у вишем енергијском нивоу (и за спинове важи Болцманов закон расподеле) укупан резултат је да приликом резонанције долази до апсорпције радиоталаса.

НМР спектар је слика, при константном спољашњем магнетском пољу апсорбованих таласа, уређена по њиховим фреквенцијама. Интензитет спектралне линије пропорционалан је броју спинова и јачини магнетског поља.

Енергија магнетног момента μ у магнетском пољу -{B0}- (индекс нула се користи да се нагласи да је у питању статичко поље, дакле поље које се не мења током времена) изражава се и израчунава на исти начин као и енергија макроскопског дипола у одговарајућем пољу. Она је једнака негативном скаларном производу вектора поља и момента, дакле, производу између јачине поља и пројекције дипола на правац поља (са знаком минус). У НМР-у се обично узима да поље -{B0}- делује дуж -{z}--осе па је тада

мини|десно|350п|Спинови у магнетском пољу имају дискретне енергије. Електромагнетни таласи (фотони) могу да изазову прелазе међу спинским стањима, и то само они чија је енергија једнака енергијској разлици код спинова. Услов за једнакост енергија последица је квантне природе (може да се апсорбује само цео квант).

Због квантне природе спинског магнетног момента могуће су само две оријентације са пројекцијама μ-{z}- = +μ/2 и μ-{z}- = - μ/2 па је енергијска разлика међу спинским стањима

С друге стране, енергија фотона је

,

где је Планкова константа а ω његова (кружна) фреквенција.

Из резонантног услова (једнакост енергије фотона и енергијске разлике међу спиновима)

налазимо да је фреквенција електромагнетног зрачења које може да изазове резонанцију, у пољу

.

Пошто се преко Планкове константе изражава угаони момент честице (жироскопски ефекат) то се однос магнетног и угаоног момента назива жиромагнетни однос и обележава се са γ

Тада се основна једначина НМР-а најчешће пише у облику

.

Дакле, резонантна фреквенција пропорционална је примењеном спољашњем пољу. То је фреквенција која изазива резонанцију у нуклеарном систему преко које детектујемо присуство спинова. Вредности жиромагнетних односа се од изотопа до изотопа разликују, па је у датом магнетском пољу сваки изотоп има сопствену резонантну фреквенцију.

Хемијски помак мини|десно|350п| Огољено језгро у спољашњем пољу -{B0}- имало би резонантну фреквенцију ω0. Међутим пошто је језгро окружено електронима ефективно поље је малко друкчије, -{Beff}-, па тако и резонантна фреквенција, ωeff. У енергијским нивоима то се испољава као промена енергијске разлике а у спектру као померање линије. Пошто особине електронског омотача зависе од хемијског окружења то се померање линије под његовим утицајем назива хемијски помак.

У идеалном случају свако атомско језгро у хомогеном спољашњем пољу треба да има само једну резонантну линију тачно одређене фреквенције. То су бар очекивали физичари који су и развили НМР спектроскопију да би испитивали структуру атомског језгра тачним мерењима резонантне фреквенције код различитих изотопа. Међутим, на њихово велико разочарење, а на (каснију) радост хемичара, врло брзо се показало да положај спектралне линије, односно резонантна фреквенција, зависи не само од јачине магнетског поља и врсте језгра него и од хемијског једињења у коме се посматрано језгро налази. Врло брзо је уочено да је померање спектралне линије под утицајем хемијског окружења, хемијски помак, последица заклањања атомског језгра орбиталним електронима. Електронске орбитале могу се замислити као микроскопске струјне контуре које стварају сопствено магнетско поље. Због тога се стварно поље на положају језгра разликује од примењеног спољашњег магнетског поља. Локално поље зависи од типа орбитала, дакле од хемијског окружења, и стога резонантна фреквенција спина зависи од његовог положаја у молекулу. Може се очекивати да молекул покаже онолико НМР линија колико има атома посматране врсте. Међутим, због додатних интеракција то се дешава само у изузетним случајевима (рецимо у потпуно распрегнутим спектрима 13C).

Хемијски помак је пропорционалан спољашњем магнетском пољу и зависно од врсте језгра износи од неколико милионитих до неколико хиљадитих делова од примењеног спољашњег поља. За језгра водоника 1H (протоне) помаци су реда 0 - 10 ппм (ппм = -{parts per million}-, лат. делова на милион). а за језгра угљеника 13C 0 - 240 ппм.

Скаларно спрезање