(or, What is NMR Spectgroscopy?)(tai, Mikä on NMR Spectgroscopy?)
Ydinmagneettinen magneettiresonanssi (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) havaittiin ensimmäisen kerran kokeellisesti loppuvuodesta 1945 miltei yhtä aikaa Stanfordin yliopistossa toimivan Felix Blochin ja Harvardin yliopistossa toimivan Edward Purcellin työryhmissä. Ensimmäiset NMR-spektrit julkaistiin ensimmäisen kerran Physical Review -lehden samassa numerossa tammikuussa 1946. Bloch ja Purcell saivat yhdessä Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1952 ydinmagneettisen resonanssispektroskopian keksimisestä.
NMR-ilmiö perustuu tiettyjen atomien isotooppien ydinten vuorovaikutukseen staattisen magneettikentän kanssa. Tämä magneettikenttä saa ytimen mahdolliset spin-tilat eroamaan toisistaan energialtaan, ja NMR-tekniikoiden avulla spinit voidaan saada aikaan havaittavia siirtymiä spin-tilojen välillä. Yleisiä NMR-aktiivisia ytimiä ovat 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si ja monet muut. Lähes jokaisella alkuaineella on ainakin yksi NMR-aktiivinen isotooppi.
Sen jälkeen NMR-spektroskopiasta on tullut kemisteille, fyysikoille ja molekyylibiologeille korvaamaton väline molekyylien rakenteen määrittämiseen, molekyylidynamiikan tutkimiseen ja materiaalien karakterisointiin molekyylitasolla. Ensimmäisten vuosikymmenten ajan tutkijat luottivat NMR-aktiivisten ytimien yksiulotteisiin NMR-spektreihin. Näissä spektreissä on yksi taajuusakseli, ja analyysi perustuu kemiallisesti epätasa-arvoisten ytimien välisiin suhteellisiin taajuussiirtymiin ja piikkien integroitujen intensiteettien eroihin. Kaksiulotteinen NMR löydettiin 1970-luvulla, ja se kehittyi nopeasti tehokkaaksi välineeksi, joka se on nykyään molekyylien rakenteen määrittämisessä. Kaksiulotteisissa NMR-spektreissä on kaksi taajuusakselia, jotka voivat vastata samankaltaisia ytimiä (esim. 1H-1H) tai erilaisia ytimiä (esim. 1H-13C), ja kolmas ulottuvuus on piikin intensiteetti. Viime aikoina on kehitetty NMR-kokeita, jotka sisältävät tietoa kolmessa, neljässä ja jopa viidessä ulottuvuudessa. NMR:n mahdollisuudet molekyylien rakenteen selvittämiseen vaikuttavat lähes rajattomilta. NMR:n merkitystä tiedeyhteisölle kuvaavat Nobel-palkinnot, jotka myönnettiin R.R. Ernstille vuonna 1991 (kemia), K. Wütrichille vuonna 2002 (kemia) ja P. Lauterburille & P. Mansfieldille vuonna 2003 (lääketiede).
NMR:n hyödyllisyys perustuu siihen, että kemiallisesti erilaisilla atomiytimillä on erilainen resonanssitaajuus samassa magneettikentässä. Tätä ilmiötä kutsutaan kemialliseksi siirtymäksi. Lisäksi vierekkäisten NMR-aktiivisten ydinten olemassaolo häiritsee resonanssitaajuuksia tavalla, joka riippuu ytimiä yhdistävistä sidoselektroneista. Tätä kutsutaan spin-spin-kytkennäksi tai J-kytkennäksi. Spin-spin-kytkennän avulla voidaan tunnistaa molekyylin atomien väliset yhteydet niitä yhdistävien sidosten kautta. Yhdistettynä kykyyn käyttää piikkien intensiteeteistä saatavaa kvantitatiivista tietoa, voidaan hyvin tarkasti määrittää, miten atomit yhdistyvät muodostaakseen ainutlaatuisen molekyylirakenteen.
Esimerkki siitä, miten NMR-spektrejä voidaan käyttää tavallisen molekyylin rakenteen tunnistamiseen
Tutustu Coloradon yliopiston Boulderin yliopistossa käytettävissä oleviin NMR-laitteisiin
.