kernemagnetisk resonans

Kernemagnetisk resonans, NMR, Nuclear Magnetic Resonance, fænomen, hvor atomer placeret i et konstant magnetisk felt absorberer elektromagnetisk stråling i radiobølgeområdet. Kernemagnetisk resonans er i dag en af de mest benyttede analysemetoder til fysiske, kemiske, biologiske og medicinske formål.

Ved kernemagnetisk resonans placeres et materiale i et kraftigt, ensartet magnetfelt. Herved påvirkes atomkerner, som er magnetiske, så deres spin og magnetiske moment orienteres af feltet. I overensstemmelse med kvantemekanikken vil orienteringen ske således, at projektionen af det magnetiske moment på magnetfeltets retning kun antager bestemte værdier (er kvantiseret). Til hver af disse hører et bestemt energiniveau. Kernerne i prøven fordeles spontant på niveauerne i løbet af en karakteristisk tid, der betegnes relaksationstiden. Herefter vil det være muligt at flytte kerner fra et energiniveau til et andet ved at lade kernerne absorbere den energi, som findes i et radiosignal. Radiosignalets frekvens skal modsvare en energi, som netop passer med energiforskellen mellem to energiniveauer. Denne frekvens ω er givet ved udtrykket ω = γB₀, hvor γ er kernens gyromagnetiske forhold og B₀ er styrken af det anvendte magnetfelt. Når denne betingelse er opfyldt, er der tale om kernemagnetisk resonans.

Næsten alle grundstoffer kan udvise kernemagnetisk resonans. Det er dog ikke alle isotoper af et grundstof, som nødvendigvis er aktive. Ganske få grundstofisotoper som ¹²C, ¹⁶O og ³²S har således umagnetiske kerner og kan derfor ikke udvise kernemagnetisk resonans.

Et instrument til kernemagnetisk resonans består af en kraftig magnet (5-20 T) og en radiosender (10-900 MHz) samt en modtager. Prøven placeres i magnetfeltet, og gennem tilpassede spoler sendes elektromagnetisk stråling ind i prøven. Ved resonans absorberes den indsendte stråling. Fra 1970 har man primært anvendt superledende magneter til NMR, og samtidig er anvendelsen af pulserende radiosendere, den såkaldte puls-NMR-spektroskopi, blevet fremherskende. Her sendes et bredspektret radiosignal ind i prøven i kort tid (få μs). Under kernernes efterfølgende relaksation (tilbagefald) til den oprindelige fordeling udsendes elektromagnetisk stråling med frekvenser, der svarer til de forskellige kerners resonansfrekvens.

Resultatet af undersøgelsen af en prøve gengives normalt i form af et spektrum. I spektret afbildes styrken af det modtagne signal som funktion af frekvensen; ved anvendelse af puls-NMR-spektroskopi fremkommer spektret ved Fouriertransformation (frekvensanalyse) af det observerede signal. De toppe, som registreres i spektret, er karakteristiske for forskellige atomkerner, idet grundstofisotoper udviser resonans ved meget forskellige frekvenser. For den enkelte grundstofisotop vil der også optræde toppe ved forskellige frekvenser. Forskellene er små, og de er betinget af kernernes nærmeste omgivelser (skærmning). Denne effekt benævnes kemisk skift. Kemisk skift angives i ppm i forhold til en velegnet forbindelse (reference). Størrelsen af de enkelte toppe er bestemt af, hvor hyppigt en bestemt type omgivelser forekommer for det betragtede atom. I spektret observeres der ofte en opsplitning af de enkelte toppe på grund af vekselvirkning mellem atomkerner, som indgår i samme molekyle. Denne effekt betegnes spin-spin-kobling og udnyttes til fastlæggelse af strukturen af såvel simple som komplicerede molekyler (fx proteiner), evt. ved at benytte todimensionale spektre (2D-NMR). Kernemagnetisk resonans kan benyttes på prøver, der er gasformige, flydende eller faste. Metoden kan også anvendes på levende organismer, da magnetiske felter og radiobølger ikke ændrer måleligt på organismens opførsel.

Ved at anvende magnetfelter, hvor styrken kan varieres rumligt med såkaldte gradientspoler, får kernerne en resonansfrekvens afhængig af deres rumlige placering. Dette benyttes til billeddannelse (MRI, eng. Magnetic Resonance Imaging), fx ved patientundersøgelser (se MR-undersøgelse). Ved MRI dannes billeder af vilkårlige tværsnit af den undersøgte prøve. Metoden har til mange formål afløst røntgenbilleder, da den tillader højere opløsningsevne i billederne, og der afsættes mindre energi i patienterne.

Kernemagnetisk resonans blev først beskrevet af E.M. Purcell, H.G. Torrey, R.V. Pound og F. Bloch samt W. Hansen og M.E. Packard i 1946; for opdagelsen fik Bloch og Purcell i 1952 tildelt nobelprisen i fysik. For udvikling af NMR til to- og tredimensionale teknikker modtog R.R. Ernst i 1991 nobelprisen i kemi. K. Wüthrich fik i 2002 nobelprisen for udvikling af NMR til bestemmelse af biomakromolekylers tredimensionale struktur.