kjernemagnetisk resonans (NMR)

Spinn er en størrelse som har med egenrotasjon å gjøre. For en atomkjerne er spinnet kvantisert og kvantetallet kalles I. I er en karakteristisk størrelse for hver isotop, og I kan ha en av verdiene 0, 1/2, 1, 3/2 osv. Et proton, et nøytron og et elektron har alle I = ½. Isotoper med I = 0 er isotoper hvor både atomnummeret og massetallet er like tall som ¹²C og ¹⁶O. Slike isotoper er usynlige i NMR. Isotoper med I = ½ er ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P og flere andre isotoper med større atomnummer. Isotoper med I = 1 er f. eks. deuteronet og ¹⁴N. Alle isotopene av halogenene har I = 3/2.

Isotopene med I = ½ er mest studert, og vi skal begrense oss til dem her. Dette er isotoper som inngår i organiske stoffer. Det har gjort at NMR-spektroskopi er en av de mest brukte spektroskopiske metodene i den delen av kjemien i dag.

En atomkjerne med spinnkvantetall I kan bare innta 2I + 1 stillinger i rommet – en atomkjerne med I = ½ kan således bare innta to stillinger i rommet. I et magnetfelt (B) vil de to stillingene være parallelle med B eller motsatt rettet B. Da atomkjernen også har et magnetisk dipolmoment som kalles μ (gresk bokstav my), får kjernen potensiell energi -μB når dipolmomentet er parallelt med magnetfeltet og +μB når dipolmomentet er motsatt rettet magnetfeltet. Det betyr at fotoner med energi hv kan absorberes eller emitteres fra en samling av slike atomkjerner. Her er h Plancks konstant og ν (gresk bokstav ny) frekvensen av strålingen (strømmen av fotoner). Grunnligningen i NMR er derfor: hν = 2μB. Den verdien av ν som passer inn i ligningen kalles resonansfrekvensen. Det er på grunn av denne ligningen at fenomenet kalles kjernemagnetisk resonans.

Av grunnligningen ser vi at resonansfrekvensen er avhengig av hvilken isotop vi studerer (μ) og styrken på magnetfeltet (B). Begrensningen ligger i magnetfeltet i de magnetene som kan kjøpes på markedet. Den elektromagnetiske stråling som er nødvendig å bruke ligger i radioområdet fra 10 MHz til 1 GHz.

Etter at prøven er satt inn i spektrometeret tar det tid før samlingen av atomkjerner med spinn (spinnsystemet) kommer i likevekt. Det samme skjer når spinnsystemet utsettes for radiobølger med frekvens lik resonansfrekvensen. En størrelse som er et mål for tiden kalles spinn-gitterrelaksasjonstiden og er gitt symbolet T₁. T₁ kan være fra brøkdeler av sekunder til minutter. T₁ er forskjellig for forskjellige grupper i molekylet og avhenger av temperaturen og løsemiddelet.

En atomkjerne i et molekyl er omgitt av en sky av elektroner. Elektronskyen reagerer også på magnetfeltet slik at det settes opp et motsatt rettet magnetfeltet i kjernens posisjon (Lenz' lov). Det betyr at magnetfeltet i atomkjernens posisjon avhenger av hvordan atomkjernen er bundet kjemisk i molekylet. Et NMR-spektrum vil derfor inneholde like mange topper som det kjemisk forskjellige grupper i molekylet som studeres. Endringen i resonansfrekvensen kalles et kjemisk skift og måles i forhold til en intern standard.

Et NMR-spektrometer består av magnet, prøveholder, radiosender, radiomottager og datamaskin. Datamaskinen styrer radiosenderen, mottar signalene i radiomottageren og beregner NMR-spektret.

Når prøven er på plass i spektrometeret, bestråles den kort med kraftig radiostråling med resonansfrekvensen. Det kalles en radiopuls eller ganske enkelt en puls. Frekvensen av pulsen er bestemt av størrelsen på magnetfeltet og isotopen som studeres. Pulsen gjør at atomkjernene endrer orientering. Umiddelbart etter pulsen mottas et signal i radiomottageren i spektrometeret fra kjernene når de går tilbake til den orienteringen de hadde tidligere. Signalet overføres til datamaskinen. Fra signalet beregner datamaskinen NMR-spektret som vises på dataskjermen eller som kan skrives ut på en skriver. Beregningen er en matematisk operasjon som kalles fouriertransformering (se FFT).

Spektret inneholder både topper og støy. Nok en puls sendes mot prøven, og man får et nytt signal som legges til det forrige i datamaskinen, og spektret beregnes på nytt. Dette gjør toppene i spektret større i forhold til støyen. Mellom hver puls må man vente en viss tid slik at kjernene kommer i likevekt, hvis ikke kan noen av toppene i spektret bli for små. Forholdet mellom signalet og støyen øker med kvadratroten av antall pulser. Med 10 000 pulser øker forholdet derfor med en faktor på 100.

Når operatøren av spektrometeret synes spektret er godt nok, kan det skrives ut. Operatøren kan også skrive ut posisjonen av de enkelte toppene. Fra disse dataene kan forskjellige NMR-parametere som kjemisk skift, koblingskonstanter og relaksasjonstider beregnes. Fra arealet under toppene kan man beregne hvor mange atomer som bidrar til hver topp.

Hvor fort man får et tilstrekkelig godt spekter er avhengig av konsentrasjonen av stoffet i prøveløsningen. Det avhenger også av styrken på magnetfeltet: sterkere magnetfelt gjør at man trenger færre pulser for å få et tilstrekkelig godt spekter. Da det kjemiske skiftet (målt i Hz) er proporsjonalt med magnetfeltet, vil også toppene kommer lenger fra hverandre og finstrukturen (målt i Hz) enklere å tolke ved et høyere magnetfelt. Men prisen på magneten øker sterkt med styrken, dermed er det et økonomisk spørsmål hvor sterke magneter som er tilgjengelig lokalt.

Vi har hittil forutsatt at vi studerer stoffer i en løsning. Det er også mulig å studere faste stoffer med NMR, men de spektrene har vanligvis bare en bred topp som skyldes kobling mellom kjernenes dipolmomenter. De koblingen midles bort i løsning av på grunn av molekylenes bevegelse. Med med mer avanserte metoder er det mulig å få spektra av faste stoffer som viser finstruktur og ligner på væskespektra.

De forskjellige NMR-parameterene kan fortelle hvilke forbindelser som er i løsningen, strukturformelen til den enkelte forbindelse, hvor mye det er av hver forbindelse og om det foregår dynamiske prosesser i løsningen som overgang mellom konformere eller utbytting av H-atomer mellom molekylene.

Det er alltid vanskelig å finne ut når en historie begynner. Begynte den i 1925 da de to hollandske doktorstudentene George Uhlenbeck (1900–1988) og Samuel Abraham Goudsmit (1902–1978) fant finstruktur i de optiske spektra de studerte og forklarte den ved å foreslå at et elektron er en partikkel med spinn og magnetisk dipolmoment? Eller begynte den året før da Wolfgang Pauli (1900–1954) foreslo at atomkjernen hadde spinn?

Den begynte i hvert fall i 1938 da Isidor Isaac Rabi (1898–1988) for første gang brukte kjernemagnetisk resonans til å øke nøyaktigheten i sine målinger av molekyler i en gass. Han oppdaget ⁷Li- og ³⁵Cl-NMR i frie LiCl-molekyler. Eksperimentet var foreslått av hollenderen C. J. Gorter (1907–1980) da han besøkte Rabis laboratorium. Rabi fikk nobelprisen i fysikk i 1944; Gorter ble bare takket i artikkelen Rabi publiserte.

For alvor begynte historien først i 1945 da forskere tok opp grunnforskningen igjen etter den andre verdenskrigen. Forskningsgruppen til Felix Bloch (1905–1983) ved Stanford University og gruppen til Edward Mills Purcell (1912–1997) ved Harvard University oppdaget uavhengig av hverandre magnetisk resonans i kondenserte faser: Bloch i vann og Purcell i parafinvoks. De var klar over at Gorter hadde forsøkt både før og under krigen, men uten resultat. I ettertid fant man at det skyldtes at prøvene han studerte var for rene og temperaturen for lav.

Bloch var på jakt etter en metode til å måle magnetfelter. Han benyttet to spoler som sto loddrett på hverandre og kalte sin metode nuclear induction. Takket være brødrene Varian, som hadde tjent penger på klystroner under krigen, tok han ut patent på sin metode og brødrene etablerte et firma som i femtiårene markedsførte de første kommersielle NMR-spektrometere.

Purcell brukte mikrobølger i sine første målinger. Men hans medarbeidere bygget snart spektrometere i radioområdet. Sammen med sine studenter Nicolaas Bloembergen og Robert Pound utviklet Purcell en enkel teori for magnetisk relaksasjon kjent som BPP etter forfatterne. Bloch og Purcell delte Nobelprisen i fysikk for sine oppdagelser i 1952. Bloembergen fikk sin først i 1981 for sitt bidrag til spektroskopi med en laser.

Begrensningen de første årene var ikke elektronikken i radiosenderen og mottageren, men magneten. De benyttet jernmagneter som var noen store og tunge kolosser. Problemet var stabiliteten av magnetfeltet og hvor mye magnetfeltet varierte over prøven (homogeniteten). Men da det ble oppdaget finstruktur i spektrene ble det fart på utviklingen av bedre magneter. Og allerede før 1950 var det oppdaget finstruktur som skyldes magnetisk dipolkobling, kjemisk skift, J-kobling og kvadrupolkobling. Erwin Hahn, doktorgradsstudent hos Bloch, bygget det første puls-NMR-spektrometeret, også før 1950, og oppdaget spinnekko.

Mye av utviklingen i årene etter skyldes konstruksjon av bedre og sterkere magneter. I 1969 kom de første magnetene med en supraledende spole i en tank av flytende helium. Med en slik kunne man lage magneter som var omtrent 10 ganger sterkere enn en jernmagnet. Med transistoren og etter hvert andre halvledere kunne man bygge bedre radiosendere og mottagere. Dessuten kom det etter hvert sterkere og billigere datamaskiner som muliggjorde innføring av stadig mer raffinerte pulsmetoder.

Hovedæren for overgang til pulsmetoder er gitt til sveitseren Richard Robert Ernst (1933–). Før den tiden var det nesten bare ¹H som ble studert (i hvert fall av kjemikere). Etter økningen i følsomheten kunne man også observere naturlig forekommende ¹³C på rimelig tid. Dermed kunne organikere ikke bare studere H-substituenter, men også selve ryggraden i organiske molekyler. Også ¹⁵N-NMR ble mulig.

Magnetiske feltgradienter ble i sekstiårene brukt til å studere diffusjon. Gradienten gjør NMR-signalet stedsavhengig, og dermed vil signalet avta om spinnene flytter seg. I begynnelsen av 1970-årene fikk Paul C. Lauterbur (1929–2007), Peter Mansfield (1933–2017) og Raymond V. Damadian (1936–2022), uavhengig av hverandre ideen om at en feltgradient kunne brukes til å lage bilder. I 1977 var Damadian den første i historien til å produsere et NMR snittbilde av kroppen hvor han var i stand til å identifisere både hjertet, lunger, ryggsøyle og muskulatur på vedkommende person. Fra disse pionerene har industrien utviklet dagens MR-tomografer.

Nesten alle nevnt med navn ovenfor, bortsett fra Damadian, har fått Nobelprisen og er presentert nærmere på Nobelstiftelsens hjemmeside.

NMR-spektrene vist ovenfor er opptatt av senioringeniør Dirk Petersen på Bruker DRX500-spektrometeret ved Kjemisk institutt, Universitet i Oslo.

• spektroskopi

• University of Oslo NMR Center
• Nobelstiftelsen