Hva er Nuclear Magnetic Resonance?

Hva er Nuclear Magnetic Resonance?


I kjernemagnetisk resonans (NMR), er magnetiske kjerner som er lagt inn i en statisk (uforanderlig) magnetfelt, og deretter utsatt for elektromagnetisk (EM) stråling. Dersom elektromagnetisk stråling er ved den karakteristiske (resonans) frekvens, vil de magnetiske kjernene absorberer og på nytt sender ut elektromagnetisk stråling ved denne frekvens. Detaljert analyse av de forskjellige resonansfrekvenser som observeres for en NMR-prøve kan bli brukt som et diagnostisk verktøy i kjemi. Det er også grunnlaget for magnetic resonance imaging (MRI) skanner gjort i sykehus.

Partikkel Magnetic Fields

Styrken av et magnetisk felt og et mønster av dens magnetiske feltlinjer er beskrevet vitenskapelig ved å gi de magnetiske øyeblikk karakteristikker av feltet. Protoner, nøytroner og elektroner alle har en målbar magnetisk dipolmoment. Dette betyr at de er omgitt av et magnetisk felt lik den som er produsert ved en enkel stavmagnet med en nord- og sydpol. Partikkelens magnetiske moment peker i samme retning som en pil (eller vektor) som peker fra partikkelens "sør" til dens "nord" pole og blir brukt for å beskrive dens orientering.

Magnetic Energy States

I et ikke-magnetisk miljø, det magnetiske moment-vektorer av en gruppe av partiklene har ingen foretrukket orientering og tilfeldig peker i alle retninger. Hvis partiklene er plassert i et ytre magnetfelt, vil partiklene justere deres magnetiske moment-vektorer til å peke i enten samme eller motsatt retning som feltet. Partikler på linje med det magnetiske feltet har en litt lavere energi enn de som er anti-justert. Energiforskjellen mellom innrettede og ikke-justert tilstander avhenger av styrken av det ytre felt. Jo sterkere felt er, jo større energiforskjellen vil være.

energi~~POS=TRUNC Transitions

Partikler i et atom kan flytte til en høyere (eller lavere) energitilstand ved å absorbere (eller utslipp) elektromagnetisk stråling som energi, samsvarer med energi endring av partikkelen. Energien av EM-stråling bare er avhengig av dens frekvens, slik at en gitt endring energi for en partikkel svarer til et helt bestemt karakteristisk frekvens på den tilhørende elektromagnetisk stråling.

NMR Basics

Den enkleste atomkjernen er hydrogen, som består av en enkelt proton. Når NMR brukes til å analysere organiske forbindelser eller for medisinsk avbildning, er det som regel hydrogen signal som blir analysert, så er dette eksempelet som brukes her. Når en prøve som inneholder hydrogenatomer som er plassert i et ytre magnetfelt, polariserer prøven som de protonene på linje med eller mot feltet. Prøven blir deretter utsatt for et elektromagnetisk felt. Dersom frekvensen til EM-felt stemmer overens med karakteristiske frekvens av energien som trengs for å vende proton orientering, vil mange av de lavere energi protoner absorbere elektromagnetisk stråling og bevege seg til høyere energitilstand. Når EM-feltet er slått av, vil protonene avgi elektromagnetisk stråling ved den samme karakteristiske frekvens, å vende tilbake til sin lavere energitilstand.

NMR spektroskopi

Det karakteristiske NMR-frekvensen til en hydrogenkjerne i en prøve er også påvirket av antallet og typer av andre atomer som omgir det aktuelle hydrogen. Således kan NMR-frekvensene av den utsendte EM-strålingen analyseres for å bestemme strukturen av organiske forbindelser, eller for å kartlegge tettheten av vev for medisinsk avbildning ved hjelp av magnetisk resonansavbildning (MRI). EM-frekvenser absorberes av hydrogenatomer i organiske molekyler er i radiofrekvens (RF) området. Dette er den lavenergi ende av EM-spekteret, noe som gjør MRI en ikke-invasiv og lav risiko medisinsk prosedyre.