(of, Wat is NMR Spectgroscopy?)

Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR) werd voor het eerst experimenteel waargenomen eind 1945, bijna gelijktijdig door de onderzoeksgroepen van Felix Bloch, aan de Stanford University en Edward Purcell aan de Harvard University. De eerste NMR spectra werden voor het eerst gepubliceerd in hetzelfde nummer van Physical Review in januari van 1946. Bloch en Purcell kregen in 1952 gezamenlijk de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun ontdekking van Nucleaire Magnetische Resonantie Spectroscopie.

Het NMR-fenomeen berust op de interactie van de kernen van bepaalde atomaire isotopen met een statisch magnetisch veld. Dit magnetische veld maakt de mogelijke spin-toestanden van de kern verschillend in energie, en gebruikend NMR-technieken kunnen de spins worden gemaakt om waarneembare overgangen tussen de spin-toestanden tot stand te brengen. Veel voorkomende NMR-actieve kernen zijn 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si, en vele andere. Bijna elk element heeft minstens één isotoop dat NMR actief is.

Sindsdien is NMR spectroscopie een onontbeerlijk hulpmiddel geworden voor de bepaling van de moleculaire structuur, de studie van moleculaire dynamica, en de karakterisering van materialen op moleculair niveau door chemici, fysici, en moleculaire biologen. Gedurende de eerste decennia vertrouwden onderzoekers op één-dimensionale NMR spectra van NMR actieve kernen. Deze spectra hebben één frequentie-as, en de analyse berust op de relatieve frequentieverschuivingen tussen chemisch inequivalente kernen, gecombineerd met het verschil in de relatieve geïntegreerde intensiteiten van de pieken. In de jaren 1970 werd tweedimensionale NMR ontdekt en NMR ontwikkelde zich snel tot het krachtige instrument dat het vandaag is voor moleculaire structuurbepaling. Tweedimensionale NMR spectra hebben twee frequentieassen, die kunnen corresponderen met gelijksoortige kernen (d.w.z. 1H-1H) of verschillende kernen (d.w.z. 1H-13C), en een derde dimensie van piekintensiteit. Meer recentelijk zijn NMR-experimenten ontwikkeld die informatie in drie, vier en zelfs vijf dimensies bevatten. De kracht van NMR om de moleculaire structuur op te helderen lijkt bijna onbeperkt. Illustratief voor het belang van NMR voor de wetenschappelijke gemeenschap zijn de Nobelprijzen die zijn toegekend aan R.R. Ernst in 1991 (chemie), K. Wütrich in 2002 (chemie), en P. Lauterbur & P. Mansfield in 2003 (geneeskunde).

Het nut van NMR komt voort uit het feit dat chemisch verschillende kernen verschillen in resonantiefrequentie in hetzelfde magnetische veld. Dit verschijnsel staat bekend als de chemische verschuiving. Bovendien worden de resonantiefrequenties verstoord door het bestaan van naburige NMR actieve kernen, op een wijze die afhankelijk is van de bindingselektronen die de kernen verbinden. Dit staat bekend als spin-spin, of “J” koppeling. Spin-spin koppeling maakt het mogelijk verbindingen te identificeren tussen atomen op een molecuul, via de bindingen die hen verbinden. Gecombineerd met de mogelijkheid om kwantitatieve informatie uit piekintensiteiten te gebruiken, kan men zeer nauwkeurig bepalen hoe de atomen combineren om een unieke moleculaire structuur te vormen.

Een voorbeeld van hoe NMR-spectra kunnen worden gebruikt om de structuur van een gewone molecule te identificeren

Leer meer over de NMR-instrumenten die beschikbaar zijn aan de Universiteit van Colorado in Boulder