Mágneses magrezonancia

A mágneses magrezonancia, más néven nukleáris mágneses rezonancia, nemzetközi rövidítéssel NMR egy fizikai jelenség, ami gyakorlati felhasználásának a tudomány és technika tárgykörében egyre nagyobb jelentősége van.

Az NMR rövidítés a tudomány azon módszereinek is a kollektív neve, ami a mágneses magrezonanciát molekulák tanulmányozására használja.

A jelenség az atommag kvantummechanikai tulajdonságain alapul. A magok mágneses volta a spinimpulzus-momentumra vezethető vissza. Az atommagok spinkvantumszáma lehet 0, 1/2, 1, 3/2, 2... ~4. Az atommagok spinkvantumszáma meghatározza, hogy az adott mag mágneses-e (ha igen, akkor „NMR aktív”). Például a szén 12-es izotópjának spinkvantumszáma 0, így a leggyakrabban előforduló szénizotópnak nincsen NMR spektruma. A 13-as izotópnak viszont 1/2-es a spinkvantumszáma, így mágneses momentuma is, NMR jelet ad. A jelenséget kvantummechanikai adatokkal magyarázzuk, de a mágnesesség maga egyszerű fizikai jelenség, így akként is működik.

A leggyakrabban mért mag az 1/2-es spinkvantumszámú hidrogén-1 atommag (proton), de a periódusos rendszer legtöbb elemének létezik mágneses magrezonanciával mérhető izotópja. A leggyakrabban mért magok: 1H, 13C, 15N, 17O, 19F, 31P.

Egy anyag rezonáns frekvenciája egyenesen arányos a mágneses mező térerejével a Larmor-precesszió képlete szerint.

Az NMR alkalmazási területe az NMR-spektroszkópia (főként a kémiai és biológiai szerkezetkutatásban), és a Mágneses rezonancia képalkotás (Magnetic resonance imaging), vagy MRI, tulajdonképpen in vivo NMR, amely az orvosi gyakorlatban használatos.

Története

A mágneses magrezonancia elméleti alapja az első sikeres kísérletek (1945) előtt jóval megszületett, a szülőatya pedig Pauli volt (1924). A mágneses magrezonanciát Isidor Isaac Rabi fedezte fel 1938-ban. 1952-ben Felix Bloch és Edward Mills Purcell közös Nobel díjat kapott a technika folyadékokra és szilárd anyagokra való alkalmazásáért és továbbfejlesztéséért. Purcell már a második világháború alatt is dolgozott ezen a technikán a Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratóriumában, a technika RADAR, vagyis Rádiólokátorként való alkalmazásán. A katonai vonatkozású kutatás a háború alatt valójában csak ürügy volt a tisztán elméleti jellegű kutatásra, akkoriban Purcell-ék még nem gondoltak arra, hogy valaha gyakorlati alkalmazása is lehet kutatásuknak.

A kutatók észrevették, hogy vegyületek egyes atommagjai bizonyos, az atommagra jellemző térerősséggel rendelkező mágneses térben képesek a sugárzási frekvencia abszorpciójára. A jelenségre azt mondjuk, hogy az atommag rezonanciában van (vagyis rezonál). Az analitikai kémia szempontjából az az érdekes, hogy egy adott térerősség alkalmazásakor egy vegyület különböző atommagjai más-más frekvenciával rezonálnak, ami mind az analitikai kémia mind a biokémia számára értékes információ. A jelenség hátterében az áll, hogy a „mag-mágnesek” olyan érzékenyek, hogy az eltérő kémiai környezetben (tehát már molekulán belüli elhelyezkedésbeli különbségnél is) megváltozik a rezonanciafrekvenciájuk. Ezt nevezzük kémiai eltolódásnak, és ez az NMR spektrumból nyerhető elsődleges információ. Ezen kívül még a spektrum egyéb adatai is jelentős információval szolgálnak. Az NMR kísérletek sokféleségének és az egyre nagyobb mágneses térerősségnek köszönhetően (manapság a 800 MHz-es mágnesek nem ritkák, sőt már létezik 950 MHz-es mágnes is) a molekula-szerkezetkutatás elengedhetetlen eszközévé vált az NMR spektroszkópia. Mára nagyobb biomolekulák (pl. közepes méretű fehérjék) szerkezetmeghatározása is lehetséges NMR-spektroszkópiával, így az NMR nem csak a kutatás, de az ipar nélkülözhetetlen eszközévé vált.

1991-ben Richard Ernst kapott Nobel-díjat a nagy felbontású mágneses magrezonancia módszertan területén és a mágneses magrezonancia spektroszkópia területén végzett munkájáért. (Kémiai Nobel-díj).

A mágneses magrezonancia elmélete

Atommag spin és mágneses tér

Spin: Az atom saját, belső impulzusmomentuma. A protonok és a neutronok a legalacsonyabb energiaszintű pályákat igyekeznek betölteni és az ellentétes spinűek párosítódnak. Impulzusmomentumuknak következménye az atommag saját impulzusmomentuma (spinje), ennek nagysága kvantált.

Spinimpulzus-momentum nagysága=√I(I+1)*h

Precesszió: Egy tengelynek külső forgatónyomaték hatására bekövetkezőelmozdulása. Különböző fázisú spinek egyenletes eloszlása a precesszió szöge (Θ).

cosΘ=I_z÷I=m_j÷√I(I+1)

Larmor-precesszió: Az elektronok, az atommagok és az atomok mágneses momentumának (μ) precessziója külső mágneses térben. Egy anyag rezonáns frekvenciája egyenesen arányos a mágneses mező térerejével. Értéke megadható a szögsebesség (ω) kifejezésével (rad/sec):

ω=γ*B₀

Relaxáció

NMR spektrométer.

Orvosi tudomány: Egy fej képe medián metszetben mágneses rezonancia képalkotással (MRI)

Kémia: Egy 200 MHz-es, automatikus mintaváltóval rendelkező NMR spektrométer a szerves kémiában vegyületek szerkezeti összetételének meghatározására.

Forrás

A cikk vázlata az angol nyelvű Wikipédia cikkjének fordítása.

További források: P. J. Hore: Mágneses Magrezonancia (Nemzeti Tankönyvkiadó) -Szilágyi László ford. Sohár Pál: „Az NMR sztori” c. előadása