Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia eli NMR-spektroskopia (eng. Nuclear Magnetic Resonance) tai pelkkä NMR on lähinnä kemiassa käytetty ydinmagneettiseen resonanssiin perustuva yleinen tutkimusmenetelmä, jolla voidaan tutkia molekyylien ominaisuuksia ja tunnistaa tuntemattomia molekyylejä. Molekyylejä sisältävän näytteen mittaus suoritetaan NMR-spektrometrillä, jossa näyte altistetaan vahvalle ja jatkuvalle magneettikentälle, joka nykyisin saadaan aikaan suprajohtein. pienoiskuva|401px|Tyypillinen NMR-spektrometri. Molekyylejä voidaan tutkia NMR:ssä vain jos niissä olevilla mittauksen kohteena olevilla atomiytimillä on spin. Kaikkien alkuaineiden isotooppeilla ei ole spiniä. Vedyn isotoopilla 1 (1H) ja hiilen isotoopilla 13 (13C) on spin – nämä ovat NMR:ssä useimmin mitattuja ytimiä.
NMR:ssä mitattavat molekyylit usein nestemäisiä tai liuotettu nesteeksi. Tekniikalla voidaan myös mitata kiinteitä aineita. Tosin kiinteiden mittaustekniikat ovat usein vaativampia ja saadut mittaustulokset vaikeatulkintaisempia kuin nesteiden NMR-tutkimuksessa. Kiinteiden NMR-tutkimus on siten nesteiden NMR-tutkimusta harvinaisempaa. Poikkeustapauksissa myös kaasuja voidaan tutkia.
Nykyisten NMR-spektrometrien toimintaperiaate on seuraavanlainen. Molekyyleissä olevat tiettyjen isotooppien atomiytimet alkavat resonoida tai pikemminkin pyöriä (prekessoida) magneettikentässä niille ominaisilla Larmorin taajuuksilla, joka riippuu ydinten spineistä ja kemiallisesta ympäristöstä eli muiden läheisten ydinten ja niiden elektronien ominaisuuksista. Spektrometrin jatkuva magneettikenttä saa ydinten magneettikenttien suuntaa kuvaavat magneettiset momentit asettumaan keskimäärin paikalleen jatkuvan kentän myötäisesti. Mittauksessa nettomagneettimomentit ajetaan pyörintäliikkeeseen, joka ilmenee niiden Larmorin taajuuksilla. Muutos aiheutetaan lyhytkestoisin magneettikentin, joiden muuttuvilla taajuusalueilla on ydinten Larmorin taajuudet. Muuntuvien kenttien lakatessa, kestävät ydinten nettomagneettimomenttien pyörinnät hetken palaten lopulta jatkuvan kentän myötäisiksi. Pyörinnän aikana nettomagneettimomentit mitataan. Saadaan päällekkäisiä taajuuksia sisältävä signaali. Mittaus toistetaan kunnes signaali on kyllin vahva, josta ydinten taajuudet erotetaan Fourierin muunnoksella. Saadaan kuvaaja (NMR-spektri) ydinten ympäristöä kuvastavista Larmorin taajuuksista (ilmaistaan spektrissä ppm-arvoina) ja suhteellisiksi intensiteeteiksi muunnetuista amplitudeista, jotka tilanteesta riippuen kuvastavat ydinten lukumääriä. Spektristä voidaan ehkä päätellä jotakin molekyylin rakenteesta.
Magneettikuvauksen periaatteet ovat samankaltaiset kuin NMR-spektroskopiassa.
Johdanto teoriaan Spin ja magneettinen momentti Useilla alkeishiukkasilla on spin, muun muassa elektroneilla, u- ja d-kvarkeilla. Spin on eräänlainen pyörimismäärä, joka kuvaa siis hiukkasen "pyörintää" akselinsa ympäri – hiukkaset eivät oikeasti pyöri, mutta ne käyttäytyvät lähes siten kuin ne pyörisivät.Levitt, s. 7-10
Atomiydinten protonit ja neutronit koostuvat gluonien yhdistämistä u- ja d-kvarkeista. Protonin kvarkkiyhdistelmä on uud ja neutronin udd. U- ja d-kvarkkien spinit ovat ½, mutta kvarkkien spinit ovat arvoiltaan vastakkaiset eli ne sulkevat toisensa osin pois. Protoniin ja neutroniin jää siten ½ kokonaisspin.Levitt, s. 10-14
Ytimen u- ja d-kvarkkien spinit voivat tosin olla samanarvoisetkin jos ytimellä on hyvin suuri energia. Siten vaikka protonin spin voi olla 3/2, jolloin se on Δ+-hiukkanen. Näitä on vain suurienergiaisissa olosuhteissa joten ne jätetään NMR:ssä huomiotta.
Spinin omaavilla hiukkasilla ja joskus näistä koostuvilla atomiytimillä on myös ominainen magneettikenttä, jonka suuntaa kuvaa vektori, magneettinen momentti μ (J T-1). µ ja spin pyörimismäärävektori S (J s, vertaa ħ) vektorien välistä suhdetta kuvaa kerroin, gyromagneettinen suhde γ (tässä yhteydessä s−1 T−1)Levitt, s. 25-26
Jos γ>0, µ- ja S-vektorit ovat hiukkaselle/ytimelle täysin samasuuntaiset. Jos γ<0, µ ja S ovat erisuuntaiset.
Ydinspin Ytimessä voi olla monia neutroneita, joiden määrä on N, ja protoneita, joiden määrä on Z. Näiden ½ spinit voivat pariutua toistensa spinejä pois sulkien ja/tai lisäten. Ytimen kokonaisspin voi siis olla 0, ½ tai ½ monikerta: 1, 3/2 jne. Ydinspinin symboli on I. Eri yhdistelmillä on erilainen potentiaalienergia, joiden energiaeroja kuvataan energiadiagrammeissa energiatasoina. Tasoista pienienergiaisinta kutsutaan perustilaksi, jossa ydin normaalisti on. Muita kuin perustilan ytimiä ei kuitenkaan tarkastella NMR:ssä.
Perustilan yksityiskohtaisia protonien ja neutronien spinyhdistelmiä ei voi ennustaa yksinkertaisin kaavoin, mutta perustilan ytimen kokonaisspin voidaan (kaavat alla).
Jos N ja Z ovat parilliset, ydin ei näy NMR:ssä, ja sen ydinspin on
Edeltävän esimerkkejä: 12C, 16O, 18O, 32S.
Jos N ja Z ovat parittomat, ydin näkyy NMR:ssä. Ytimessä siis on 2 paritonta spin ½ hiukkasta eli ydinspin on
X on yksikötön kerroin, jonka arvo on 1, 2, 3...
Edeltävän esimerkkejä: 2H (I=1), 10B (I=3), 14N (I=1).Lambert, s. 19-21
Jos N tai Z on parillinen toisen näistä taas ollessa pariton tai nolla, ydin näkyy NMR:ssä. Ytimessä siis on 1 pariton spin ½ hiukkanen eli ydinspin on
Edeltävän esimerkkejä: 1H (I=½), 13C (I=½), 35Cl (I=3/2).
Nettomagneettimomentti NMR-spektrometreissä on vahva magneettikenttä B0, joka on ihannetilanteessa laitteeseen asetetun näytteen joka kohdassa likimain yhtä vahva ja samasuuntainen, jolloin kemiallisilta ympäristöltään ja muutenkin samanlaiset ytimet kokevat sen yhtä vahvana. Ilman B0-kenttää ydinten µ-vektorit eivät kohdistu mihinkään tiettyyn suuntaan – ne ovat sekaisin.Levitt, s. 26-28 Taas B0 vallitessa on energiallisesti suotuisaa että µ-vektorit kääntyvät B0 myötäisesti seuraavan yhtälön mukaisesti:Levitt, s. 24
Emag: magneettinen energia (J) µ: magneettinen momentti (J T−1) B0: magneettikenttä (T) θ: µ ja B0 välinen kulma
Edeltävä on skalaarimuodossa. Varsinaisia µ- ja B0-vektoreita käytettäessä yhtälö on pistetulo
Tilanne on verrattavassa magneettien samamerkkisten napojen hyljintään – toisen magneetin pysyessä paikallaan (spektrometrin B0), pyrkii liikkuva magneetti kuten kompassi (ydinten µ) pyörähtämään paikallaan pysyvän magneetin kentän myötäisesti energiansa minimoidakseen.
Yksittäiset ydinten µ-vektorit eivät oikeasti asetu täysin B0 myötäisesti ja voivat myös muuttaa myös suuntaansa NMR-kokeen aikana. Vaihtelut johtuvat ydinten ja elektronien keskinäisistä erityyppisistä vuorovaikutuksista, jotka muuttavat yksittäisten samanlaistenkin ydinten kokeman B0 voimakkuutta hieman hetkestä toiseen. NMR-näytteessä ytimiä on kuitenkin valtavia määriä, joten niiden kaikkien µ aikaansaama summa, nettomagneettimomenttivektori, on paikallaan ja on B0 kanssa täysin samasuuntainen.Macomber, s. 14-16
Prekessio ja Larmorin taajuus Koska NMR-aktiivisilla (I>0) ytimillä on niissä aina läsnä oleva pyörimismäärävektori eli spin S, alkavat niiden S-vektorit ja samalla µ-vektorit B0 vaikuttaessa pyöriä kartiomaisesti eli prekessoida B0-vektorin ympäri vaihtelevin kulmin. Tilanne on verrattavissa hyrrään, joka pyörii vakionopeudella. Jos hyrrä on kulmassa pyöriessään, se prekessoi (kuva).Levitt, s. 28-31 pienoiskuva|140px|Hyrrän prekessio. Yksittäisten ydinten S-vektorit voivat olla eri kulmissa prekession alkaessa ja hyvin pieni osa jopa täysin kentän myötäisesti tai vastaisesti, jolloin ne eivät prekessoi. Ytimet kuitenkin muuttavat prekessiokulmiaan NMR-kokeen aikana vaikuttaessaan mm. toistensa kokemiin magneettikenttiin omilla kentillään, joiden suuntia µ-vektorit kuvaavat. Prekessio tai sen kulmavaihtelu ei silti muuta µ-vektorien B0 myötäisen suuntautumisen suotuisuudesta johtuvan nettomagneettimomentin suuntaa. Yksittäiset ytimet nimittäin prekessoivat eri vaiheissa ja niitä on näytteessä valtavasti.Levitt, s. 27, 30-32
Ydinten prekessiota kutsutaan Larmorin prekessioksi ja se tapahtuu kulmataajuudella
ω: Larmorin kulmataajuus (rad s−1) γ: gyromagneettinen suhde (rad s−1 T−1) B0: magneettikenttä (T)
pienoiskuva|280px|S-vektorin (pieni musta nuoli) prekession suunta (punainen nuoli) B0 ympäri (iso musta nuoli). Esimerkkeinä ytimet 13C ja 15N. ω etumerkki kertoo prekessiosuunnan. Jos ytimen γ>0, ω on negatiivinen ja ytimen S-vektori prekessoi vastapäivään katsojasta, josta B0-vektori loittonee poispäin. γ<0 ytimen ω on positiivinen ja S-vektori prekessoi myötäpäivään.
Varjostus Elektronien sanotaan varjostavan (eng. shield) ympäröimiään atomiytimiä sillä elektronien liike orbitaaleillaan B0-kentässä saa ne muodostamaan omia magneettikenttiään. Kenttien ollessa ytimen kohdalla B0 vastaisia, heikentävät ne ytimen kokemaa kenttää B0 paikallisesti. Siten ytimet prekessoivat hitaammin eli niiden Larmorin taajuus pienenee. Elektronikenttien ollessa B0 vastaisia ytimen kohdalla, puhutaan diamagneettisesta varjostuksesta, jota ilmenee erityisesti pallosymmetrisiä orbitaaleja (s-orbitaali) sisältävillä ytimillä kuten H.Macomber, s. 68-70
Elektronikenttien ollessa B0 myötäisiä ytimen kohdalla, puhutaan paramagneettisesta varjostuksesta, jota ilmenee erityisesti epäsymmetrisiä orbitaaleja sisältävillä raskailla ytimillä kuten C, F ja P. Paramagneettinen varjostus suurentaa ytimen prekessiotaajuutta. Ytimen varjostus on dia- ja paramagneettisen varjostuksen summa.
Varjostukseen vaikuttaa myös ydinten läheinen kemiallinen ympäristö. Tämä siirtää erilaisten kemiallisten ryhmien prekessiotaajuuksia niille ominaisille taajuusalueille. Siksi 1H-ytimet prekessoivat vaikkapa CH2- ja CH3-ryhmissä eri taajuuksilla. Ilmiötä kutsutaan kemialliseksi siirtymäksi.Levitt, s. 195
Signaalin saanti NMR-spektrometrissä on johdinkelat, joihin johdetaan tietyn taajuinen vaihtovirta. Yksinkertaisissa mittauksissa virta aiheuttaa näytteeseen vaihtovirran taajuudella muuntuvan magneettikentän B1 (katso Maxwellin yhtälöt-artikkeli), joka tuotetaan usein 90° kulmaan suhteessa kenttään B0. Vain ne ytimet, jotka prekessoivat samalla Larmorin taajuudella kuin kelojen aiheuttama kenttä muuntuu, kääntyvät nopeasti µ-vektoreiltaan samaan tasoon kuin B1 eli noin 90° kulmaan niiden alkuperäisestä B0 myötäisestä suunnasta. Yksittäisten ydinten µ ei välttämättä ole täysin samassa tasossa kuin B1, mutta niiden nettomagneettimomentti on.
Nettomagneettimomentti alkaa siis pyöriä ympyrää samassa tasossa kuin B1 vaikuttaa sen sijaan, että se olisi liikkumatta B0 myötäisesti. Kelojen virransyöttö lopetetaan ja B1 lakkaa vaikuttamasta. Nettomagneettimomentti eli ydinten aiheuttama muuttuva magneettikenttä jää silti vaikuttamaan hetkeksi ja tuottaa siksi samoihin keloihin vaihtovirran. Muodostuneen vaihtovirran taajuus on verrannollinen ydinten Larmorin taajuuteen, joka on kemiallisille ympäristöille ominainen, ja amplitudi on usein verrannollinen ydinten lukumäärään. Tutkittava aine voidaan siten ehkä tunnistaa mittaamalla sen kaikkien tai osan NMR:ssä näkyvien ydinten intensiteetit ja taajuudet.Levitt, s. 33-36
Käytännössä B1 taajuutta muutetaan mikrosekuntien aikana laajan taajuusalueen läpi, sähkönsyöttö lopetetaan ja sitten kaikkien alueelle Larmorin taajuuksiltaan osuvien ydinten signaalit mitataan kerralla. Tämä nopeuttaa mittausta merkittävästi suhteessa tilanteeseen, jossa eri Larmorin taajuuksien ytimet mitattaisiin taajuus kerrallaan.Macomber, s. 32-33 pienoiskuva|Raakasignaali (FID). Signaali heikkenee ajan kuluessa sillä nettomagneettimomentit palaavat takaisin B0 myötäiseksi. Tätä kutsutaan relaksaatioksi.