NMR-spektroskopia – määritelmä, toimintaperiaate ja sovellukset

Tutustu NMR-spektroskopiaan: toimintaperiaatteet, määritelmä ja sovellukset kemian, lääketieteen ja materiaalitutkimuksen rakenneanalyysissä.

NMR-spektroskopia (Nuclear Magnetic Resonance) on spektroskopian menetelmä, jonka avulla kemistit ja tutkijat voivat selvittää molekyylin rakenteen, dynamiikan ja konsentraation. Tietyillä atomiytimillä on magneettisia ominaisuuksia, jotka ilmenevät voimakkaassa magneettikentässä: esimerkiksi hiilen, vedyn ja fluorin kaltaisia atomeja voidaan havaita NMR-mittauksin. Näitä magneettisia ominaisuuksia kuvaa yleisesti termi magneettisia ominaisuuksia.

Toimintaperiaate lyhyesti

NMR perustuu siihen, että ytimillä, joilla on spin (esim. 1H, 13C, 19F, 31P), on oma magneettinen momentti. Kun näyte asetetaan tasapaksuun ja voimakkaaseen magneettikenttään (B0), ytimet asettuvat eri energiatasoihin. Lyhyet radioaaltopulssit (yleensä radiotaajuudella) siirtävät spinien tiloja, ja pulssin jälkeen ytimet lähettävät havaittavan signaalin (free induction decay, FID). Tämä aika-avaruussignaali muunnetaan Fourier-muunnoksella taajuusspektriksi, josta saadaan informaatiota atomien kemiallisesta ympäristöstä, sidoksista ja vuorovaikutuksista.

Tärkeitä käsitteitä

• Kemiallinen siirtymä (chemical shift) – kuvaa ytimen resonanssitaajuuden poikkeamaa referenssistä ja ilmoitetaan yleensä ppm-yksikössä. Kemiallinen siirtymä kertoo ydinympäristön elektronitiheydestä ja auttaa erottamaan eri funktionaaliset ryhmät.
• J-kytkentä (spin–spin coupling) – atomiytimien välinen vuorovaikutus, joka aiheuttaa signaalien hajoamisen monimutkaisemmiksi piikeiksi; ilmoitetaan hertseinä (Hz).
• Relaksaatiot (T1 ja T2) – kuvaavat, miten nopeasti spinit palautuvat tasapainotilaan pulssin jälkeen; relaksaationopeudet vaikuttavat signaalin intensiteettiin ja muotoon.
• Referenssi – yleinen referenssiyhdiste orgaanisille liuottimille on tetrametyylisilikaani (TMS), jota käytetään 1H- ja 13C-kemiallisten siirtymien nollapisteenä.

Tyypillinen laitteisto ja mittaus

NMR-instrumentti sisältää voimakkaan magneetin (B0), radiotaajuuslähettimen ja -vastaanottimen, näyteholvin, jäähdytysjärjestelmän ja tietokoneen signaalin tallennukseen ja analyysiin. Modernit laitteet ovat Fourier-transform NMR (FT-NMR) -järjestelmiä, joissa pulssitekniikat (esim. 90° ja 180° pulssit) tuottavat FID-signaalin, joka muutetaan spektriksi. Korkeammat magneettikentän voimakkuudet parantavat resoluutiota ja herkkyyttä.

NMR:n eri muodot

• 1D-NMR – perusspektrit, kuten 1H- ja 13C-NMR.
• 2D-NMR – kaksidimensionaaliset menetelmät (COSY, HSQC, HMBC yms.), jotka paljastavat yhteyksiä atomien välillä ja auttavat kokonaisrakenteen muodostamisessa.
• Kiinteän aineen NMR – käytetään kiteisille ja amorfisille kiinteille näytteille; usein yhdistetty magic angle spinning (MAS) -tekniikkaan.
• In vivo -NMR / MRI – lääketieteellinen sovellus, jossa NMR-periaatetta käytetään kudosten kuvantamiseen (magnetic resonance imaging).

Sovellukset

• Rakenteen elucidointi orgaanisessa kemiassa ja luonnontuoteanalytiikassa.
• Kvantitatiivinen analyysi ja puhtausarviointit: NMR on usein suoraan kvantitatiivinen ilman kalibrointia.
• Metabolomiikka ja metabolian tutkimus – monimutkaisten seosspektrien tunnistus ja kvantifiointi.
• Farmaseuttinen kehitys – lääkeaineiden rakenteen varmistus ja polymorfisten muotojen tutkimus.
• Materiaalitutkimus – polymeerit, elektrolyytit, katalyytit ja kiinteät spektrit.
• Lääketiede – MRI-kuvantaminen, funktionaalinen MRI ja spektroskopiaa kliinisissä tutkimuksissa.

Edut ja rajoitukset

NMR on ei-tuhoava ja erittäin informatiivinen menetelmä, joka antaa yksityiskohtaisia tietoja atomien ympäristöstä ja vuorovaikutuksista. Se on myös suoraan kvantitatiivinen ja soveltuu neste- ja kiinteänäytemittauksiin. Rajoituksina ovat herkkyys verrattuna joihinkin muuhun analytiikkaan (esim. massaspektrometria), laitteiston korkeat kustannukset ja tarve isotoppimerkinnöille (esim. 13C tai 15N) hyvin herkissä sovelluksissa. Lisäksi mittaukset vaativat usein deuteroidun liuottimen ja puhtaan näytteen optimaaliseen tulkintaan.

Praktiikka ja turvallisuus

• Näytteet sijoitetaan yleensä lasikapseleihin ja liuotetaan deuteroituihin liuottimiin herkkyyden ja kentän lukkojen vuoksi.
• Kiinteät magneetit aiheuttavat voimakkaita staattisia magneettikenttiä — metalliesineet voivat lennähtää magneetin luo ja elektroniset implantit (esim. sydämentahdistimet) voivat vahingoittua. Noudata aina turvallisuusohjeita magnettialueella.
• Radioaaltosäteily on ohimenevästi paikallista ja yleensä turvallista oikeilla laitteistoasetuksilla, mutta laitteiston huolto ja käyttö vaativat koulutusta.

NMR-spektroskopia on monipuolinen työkalu, joka yhdistää fysiikan ja kemian periaatteet tarjotakseen syvällistä tietoa molekyylirakenteista, dynamiikasta ja vuorovaikutuksista monilla tutkimus- ja sovellusaloilla.

Miten NMR toimii

Kemiallinen näyte valmistetaan asettamalla pieni määrä näytettä NMR-putkeen. Se liuotetaan erityiseen liuottimeen, kuten raskaaseen veteen (ks. deuterium) tai kloroformiin, ja putki asetetaan NMR-laitteeseen. Laite on suuri magneetti, kuten magneettikuvauslaite. Jotkin näytteen atomit kiihottuvat, kun näyte on magneetissa, ja kun näyte poistetaan, atomit palaavat alempaan energiatilaan. NMR-laitteeseen kytketty tietokone voi havaita tämän kiihdytyksen muutoksen, jolloin NMR-kaavioon ilmestyy erilaisia piikkejä ja kuoppia. Kemisti voi tulostaa tämän kaavion ja tutkia eri piikkejä.

Useimmat NMR-laitteet pystyvät havaitsemaan vain yhden atomityypin jännityksen. Esimerkiksi¹ H NMR-laite "näkee" vain vetyatomit. ¹³ C NMR-laite näkee vain hiiliatomien aktiivisuuden.

 

NMR-spektri  

Hae kirjaimella