(eller, Hvad er NMR-spektroskopi?)

Nuklear magnetisk resonans (NMR) blev først observeret eksperimentelt i slutningen af 1945, næsten samtidig af Felix Bloch ved Stanford University og Edward Purcell ved Harvard University. De første NMR-spektre blev først offentliggjort i samme nummer af Physical Review i januar 1946. Bloch og Purcell fik sammen Nobelprisen i fysik i 1952 for deres opdagelse af kernemagnetisk resonansspektroskopi.

NMR-fænomenet er baseret på vekselvirkningen mellem atomkernerne i visse atomare isotoper og et statisk magnetfelt. Dette magnetfelt gør kernenes mulige spintilstande forskellige i energi, og ved hjælp af NMR-teknikker kan man få spintilstandene til at skabe observerbare overgange mellem spintilstandene. Almindelige NMR-aktive kerner er 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si og mange andre. Næsten alle grundstoffer har mindst én isotop, der er NMR-aktiv.

Siden da er NMR-spektroskopi blevet et uundværligt redskab til bestemmelse af molekylær struktur, undersøgelse af molekylær dynamik og karakterisering af materialer på molekylært niveau for kemikere, fysikere og molekylærbiologer. I de første årtier var forskerne afhængige af endimensionale NMR-spektre af NMR-aktive kerner. Disse spektrer har én frekvensakse, og analysen er baseret på de relative frekvensforskydninger mellem kemisk uækvivalente kerner kombineret med forskellen i de relative integrerede intensiteter af toppene. I 1970’erne blev todimensional NMR opdaget, og NMR udviklede sig hurtigt til det kraftfulde værktøj, som det er i dag til bestemmelse af molekylestrukturer. To-dimensionelle NMR-spektre har to frekvensakser, som kan svare til ens kerner (f.eks. 1H-1H) eller forskellige kerner (f.eks. 1H-13C), og en tredje dimension, nemlig intensiteten af toppene. For nylig er der blevet udviklet NMR-eksperimenter, som indeholder oplysninger i tre, fire og endda fem dimensioner. NMR’s muligheder for at klarlægge molekylestrukturen synes næsten ubegrænsede. Som illustration af NMR’s betydning for forskersamfundet kan nævnes de efterfølgende Nobelpriser, der blev tildelt R.R. Ernst i 1991 (kemi), K. Wütrich i 2002 (kemi) og P. Lauterbur & P. Mansfield i 2003 (medicin).

Nytteværdien af NMR skyldes, at kemisk forskellige kerner adskiller sig i resonansfrekvens i det samme magnetfelt. Dette fænomen er kendt som det kemiske forskydning. Desuden forstyrres resonansfrekvenserne af tilstedeværelsen af tilstødende NMR-aktive kerner på en måde, der afhænger af de bindingselektroner, der forbinder kernerne. Dette er kendt som spin-spin- eller “J”-kobling. Spin-spin-kobling gør det muligt at identificere forbindelser mellem atomer på et molekyle gennem de bindinger, der forbinder dem. Kombineret med evnen til at bruge kvantitative oplysninger fra topintensiteterne kan man meget præcist bestemme, hvordan atomerne kombineres for at danne en unik molekylestruktur.

Eksempel på, hvordan NMR-spektre kan bruges til at identificere strukturen af et almindeligt molekyle

Lær om de NMR-instrumenter, der er tilgængelige på University of Colorado at Boulder