핵자기 공명
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1. 개요
핵자기 공명(NMR)은 원자핵의 스핀을 이용해 물질의 물리적, 화학적 정보를 얻는 분광학 기술이다. 외부 자기장 하에서 핵 스핀이 특정 주파수의 에너지를 흡수하여 공명 현상을 일으키는 원리를 이용하며, NMR 스펙트럼을 통해 분자의 구조, 동적 특성, 그리고 생체 조직의 정보를 분석할 수 있다. 의학 분야의 자기 공명 영상(MRI)과 유기 화학, 산업 분야의 물질 분석 등 다양한 분야에서 활용되며, 양자 컴퓨터 및 지구 자기장, 영자기장, 표면 핵자기 공명(SNMR) 등 다양한 응용 분야를 가진다.
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피터 맨스필드는 자기 공명 영상(MRI) 기술 발전에 혁신적인 기여를 하여 2003년 노벨 생리학·의학상을 수상한 영국의 물리학자로, MRI의 '슬라이스 선택' 기법과 에코 플래너 영상(EPI) 기법을 개발하여 현대 의학 영상 분야 발전에 크게 기여했다. - 스핀트로닉스 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. - 스핀트로닉스 - 전자
전자는 음전하를 띤 기본 입자로서 원자의 구성 요소이며 파동-입자 이중성을 가지고 양자역학으로 설명되며 전자기력, 약한 힘과 상호 작용하여 전자 현미경, 자유전자레이저, 반도체 기술 등에 활용된다.
| 핵자기 공명 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 일반 정보 | |
| 영어 명칭 | Nuclear magnetic resonance |
| 일본어 명칭 | 核磁気共鳴 |
| 한국어 명칭 | 핵자기 공명 |
| 약칭 | NMR |
| 유형 | 분광학 기술 |
| 기반 원리 | 핵 스핀 상태 변화 |
| 상세 정보 | |
| 핵 | |
| 관련 핵 스핀 | |
| 응용 분야 | 분자 구조 분석 화학 및 생화학 연구 의학 진단 재료과학 연구 |
| 신호 수신 | 가상 광자와 코히어런트 자연 방출 |
| 주파수 범위 | 무선 주파수 |
| 설명 | 물질의 핵자기 모멘트를 이용하여 물질의 구조를 분석하는 방법 |
| 역사 | |
| 개발 연도 | 1940년대 |
| 주요 개발자 | 펠릭스 블로흐 에드워드 밀스 퍼셀 |
| 주요 발전 | 푸리에 변환 NMR 다차원 NMR 고체 NMR |
| 노벨상 수상 | 1952년 펠릭스 블로흐, 에드워드 밀스 퍼셀 1991년 리하르트 에른스트 2002년 쿠르트 뷔트리히 |
| 관련 분야 | |
| 관련 분야 | 분광학 양자역학 자기 공명 영상 (MRI) |
| 추가 정보 | |
| 참조 | NMR 신호 수신: 가상 광자와 코히어런트 자연 방출 |
| 참조 | 거대 분자 조립체 및 기계의 1 GHz 이상에서의 NMR: 분자 구조 생물학을 위한 새로운 혁신적 기회 |
2. 원리
전자가 스핀을 가지고 있는 것처럼, 어떤 핵들도 스핀을 가지고 있다. 외부 자기장이 없을 때는 핵 스핀이 무작위로 정렬되지만, 외부에서 자기장을 걸어주면 핵 스핀은 외부 자기장과 같거나 반대 방향으로 정렬된다. 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되면 에너지 준위가 낮아지고, 반대 방향으로 정렬되면 에너지 준위가 높아진다. 이때 에너지 준위 변화량은 같다.
분자선에서 핵자기 공명을 처음 기술하고 측정한 사람은 이지도어 라비였다.[3] 그는 1938년에 이 연구를 수행했으며, 슈테른-게를라흐 실험을 확장한 것이었다. 라비는 이 공로로 1944년에 노벨 물리학상을 수상했다.[4]
라디오파 주파수의 에너지를 외부에서 제공하면 핵 스핀은 에너지를 흡수하여 스핀 상태를 바꿀 수 있다. 화합물 내 원자마다 핵 스핀 강도가 다르므로, 같은 세기의 자기장을 걸어도 흡수하는 주파수가 다르다. 따라서 핵자기 공명(NMR)은 흡수 주파수를 측정하여 어떤 원자가 있는지 알아낸다.
단, 분석 가능한 원자 종류는 제한적이다. 분석할 원자의 스핀 양자수가 자기장을 걸었을 때 에너지 차이가 존재하는 형태여야 한다. 예를 들어 원자량 12의 탄소(12C)는 자기장을 걸어도 에너지 차이가 없어 분석할 수 없다.
원자 번호와 질량수 중 적어도 하나가 홀수인 원자핵은 0이 아닌 핵스핀 양자수 ''I''와 자기 쌍극자 모멘트를 가지며, 작은 자석으로 간주할 수 있다. 자석에 정자기장을 걸면 자기장 벡터 주위로 일정한 주파수로 세차운동을 한다. 원자핵도 마찬가지로 자기 쌍극자 모멘트가 세차운동을 하는데, 이 주파수를 라모어 주파수라고 한다. 이 원자핵에 라모어 주파수와 같은 주파수로 회전하는 회전 자기장(전자기파)을 걸면 자기장과 원자핵 사이에 공명이 일어나는데, 이를 핵자기 공명이라고 한다.
자기장 속 원자핵은 제만 효과에 의해 2''I'' + 1개의 에너지 상태를 가지며, 에너지 차이 크기는 일정하고 자기장 세기에 비례한다. 이 에너지 차이는 라모어 주파수와 같은 주파수를 가진 광자 에너지와 일치한다. 따라서 공명 시에는 전자기파의 공명 흡수 또는 방출이 강하게 일어나므로, 공명 현상을 검출할 수 있다.
3. 역사
1946년에는 펠릭스 블로흐와 에드워드 밀스 퍼셀이 액체와 고체에 대한 핵자기 공명 기술을 확장했다. 두 사람은 이 연구로 1952년에 노벨 물리학상을 공동 수상했다.[5][6]
바리언 어소시에이츠(Varian Associates)를 설립한 러셀 H. 베리언은 1948년에 "원자의 핵 특성과 자기장을 상호 연관시키는 방법 및 수단"이라는 특허를 출원하여 1951년에 승인받았다.[7] 바리언 어소시에이츠는 1952년에 최초의 NMR 장치인 NMR HR-30을 개발했다.
일본에서는 1948년 오사카 대학의 키쿠치 마사시(菊池正士), 도호쿠 대학 과학계측연구소의 오카무라 토시히코(岡村俊彦), 도쿄 대학 이공학연구소의 쿠마가이 히로오(熊谷寛夫) 등 여러 그룹에서 선구적인 시도가 있었다.[57][58][59][60] 1950년에는 전기통신대학의 후지와라 시즈오(藤原鎮男)와 하야시 쇼이치(林昭一)가 일본 최초로 NMR 신호를 검출했다.[61][62]
1966년 리하르트 에른스트와 레이먼드 앤드류는 푸리에 변환 NMR 분광법을 확립했다. 에른스트는 이 업적으로 1991년 노벨 화학상을 수상했다.
1971년 Jean Jeener영어는 강연에서 2차원 NMR의 아이디어를 제안했고, 1976년 에른스트가 2차원 NMR을 측정했다.
쿠르트 뷔트리히는 용액 내 단백질 FT NMR 연구를 통해 2002년 노벨 화학상을 공동 수상했다.
4. 이론
핵자기 공명(NMR) 이론은 "공명 현상"과 "완화 현상"을 설명한다. NMR의 핵심 개념 중 하나는 핵 주위 자기장에 대한 스핀 자화의 세차 운동이다. NMR의 이론적 설명에는 고전적인 벡터 모델과 양자(통계)역학에 의한 설명이 있다.
== 공명 현상 ==
원자번호와 질량수 중 적어도 하나가 홀수인 원자핵은 0이 아닌 핵스핀 양자수 *I*와 자기쌍극자 모멘트를 가지며, 작은 자석으로 간주할 수 있다. 자석에 정자기장을 걸면 자기장 벡터 주위를 일정한 주파수로 세차운동한다. 원자핵도 마찬가지로 자기쌍극자 모멘트가 세차운동을 한다. 이 원자핵의 자기쌍극자 모멘트의 세차운동 주파수를 라모어 주파수라고 한다. 이 원자핵에 라모어 주파수와 같은 주파수로 회전하는 회전 자기장(전자기파)을 걸면 자기장과 원자핵 사이에 공명이 일어난다. 이 공명 현상을 핵자기 공명이라고 한다.
자기장 속에 놓인 원자핵은 제만 효과에 의해 2*I* + 1개의 에너지 상태를 취하며, 그 에너지 차이의 크기는 일정하고 자기장의 세기에 비례한다. 이 에너지 차이의 크기는 라모어 주파수와 같은 주파수를 가진 광자의 에너지와 일치한다. 따라서 공명 시에는 전자기파의 공명 흡수 또는 방출이 강하게 일어나므로, 공명 현상을 검출할 수 있다.
인가된 자기장 '''B'''0에서 비평형 자화의 세차 운동은 라모어 주파수
:로 발생하며, 에너지가 일정하기 때문에(시간에 무관한 해밀토니안), 에너지 준위의 개체수는 변하지 않는다.[11]
핵 스핀 배향이 평형 상태에서 벗어나는 것은 진동 자기장을 가할 때만 발생하며, 그 진동수 νrf는 핵 자기화의 라모어 세차운동 진동수 νL와 충분히 일치해야 한다. 그러면 스핀 업 및 스핀 다운 에너지 준위의 개체수가 라비 진동을 겪게 되는데,[10] 이는 νrf 진동수로 회전하는 기준틀에서 유효 자기장 주위의 스핀 자기화 세차운동으로 가장 쉽게 분석된다.[12]
정자장(청색)과 진동자장(녹색)이 가해졌을 때의 핵스핀(적색)의 움직임을 회전좌표계에서 보면, 진동장이 강할수록 라비 진동 또는 회전틀에서 유효장 주위의 세차운동이 빨라짐을 알 수 있다.
일반적으로 NMR에서 검출되는 것은 상대적으로 약한 RF 장을 사용하는 구식 연속파 NMR 또는 현대의 펄스 NMR에서 상대적으로 강한 RF 펄스 후에 생성되는 횡단 자기화이다.
== 코히어런스 ==
xy평면 내에 관측 가능한 거시적인 크기의 자화 벡터가 발생하는 것은, 핵 스핀의 파동 함수가 α + β와 같이 여러 스핀 상태가 혼합된 형태로 표현되고, 또한 핵 스핀 전체가 같은 스핀 상태를 가지고 있을 때(각각의 핵 스핀의 파동 함수가 코히어런트한 상태일 때)만 가능하다. 핵 스핀의 파동 함수의 이러한 상태를 '''코히어런스'''라고 한다.
코히어런스가 있다는 것과 xy평면 내에 자화 벡터가 존재한다는 것은 동등하지 않다. 예를 들어, 2개의 스핀을 포함하는 계에서 파동 함수가 αα + ββ와 같은 상태로 코히어런트일 경우, xy평면 내에 자화 벡터는 존재하지 않는다. xy평면 내에 자화 벡터가 발생하는 것은 전체 스핀 양자수가 1만큼 다른 상태의 코히어런스('''단일 양자 코히어런스''')일 때만 가능하다. αα + ββ와 같은 '''이중 양자 코히어런스'''나 αβ + βα와 같은 '''영 양자 코히어런스'''는 자화 벡터를 발생시키지 않는다. 열평형 상태에 있는 스핀 계에 단일 회전 자기장 펄스를 가하면, 우선 단일 양자 코히어런스가 발생한다. 이후, 적절한 시점에 적절한 펄스를 가함으로써 이중 양자 코히어런스나 영 양자 코히어런스를 발생시킬 수 있다.
단일 양자 코히어런스 이외의 코히어런스는 직접 관측할 수 없지만, 적절한 시점에 적절한 펄스를 가함으로써 단일 양자 코히어런스로 변환할 수 있으며, 이 단일 양자 코히어런스의 자화 벡터로 간접적으로 검출할 수 있다. 특정 상호 작용을 가진 스핀 계만을 관측하려는 측정 방법은 특정 코히어런스를 거쳐 발생한 자화 벡터만을 관측하도록 하고 있다. 이러한 코히어런스의 선별에는 자기장 기울기 펄스나 위상 사이클과 같은 방법이 이용된다.
== 완화 ==
NMR에서 이완이란 전자기파를 받아 여기 상태가 된 핵이 에너지를 방출하여 바닥 상태로 돌아가는 현상, 또는 핵 스핀의 코히어런스가 소멸하는 현상이다. 이완의 원인은 주위의 전자나 원자핵이 가지는 자기쌍극자 모멘트나 전기사극자 모멘트이다. 이들로부터 받는 자기장이 분자의 브라운 운동이나 결합의 회전에 의해 변화한다. 이러한 불규칙적인 자기장 변동 중 에너지 준위 차이에 해당하는 주파수 성분에 의해 상태 간의 전이가 일어나 이완이 발생한다.
여러 번의 스캔을 수행하는 경우에는 이완에 걸리는 시간에 주의해야 한다. 스핀이 열평형 상태로 복귀하지 않은 상태에서 다음 스캔의 측정이 수행되면 측정되는 자화의 강도가 저하된다. 그러나 충분히 이완될 때까지 기다리는 것보다 스캔 횟수를 늘리는 것이 S/N 비의 개선에 효과적인 경우도 있다. 또한 코히어런스가 완전히 소멸하지 않은 경우, 펄스의 간섭이 발생하여 스펙트럼에 노이즈가 발생하는 경우도 있다.
핵 자체가 가지는 전기 사중극자 모멘트는 이완을 현저하게 가속화시킨다.
=== 스핀-격자 완화 ===
'''세로 완화'''는 '''스핀-격자 완화'''라고도 하며, 자화 벡터의 z 성분(세로 자화)이 열평형 상태의 값으로 돌아가는 완화이다. 전자기파를 조사함으로써 에너지 준위가 높은 상태로 여기된 스핀이 격자에 에너지를 방출하면서 에너지 준위가 낮은 상태로 돌아가는 과정에서 일어난다. 이 과정은 무작위 자기장 안에서 x 성분이나 y 성분의 라모어 주파수와 일치하는 성분을 취하여 발생한다. 세로 완화의 시간 상수는 ''T''1로 표시된다.
자기쌍극자 상호작용을 갖는 두 스핀 I, S에는 두 스핀 양자수를 동시에 변화시키는 듯한 완화 과정이 존재한다. 이러한 과정을 교차완화라고 한다. 교차완화가 일어나면 에너지 준위의 점유수 차이가 열평형 상태보다 커질 수 있다. 이것이 핵 오버하우저 효과이다.
5. 공명 분광 분석기
핵자기 공명 분광 분석기(Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer, NMR Spectrometer)는 시료 원자핵의 회전을 라디오 주파수(RF) 공명을 통해 측정하는 장비이다.
일반적으로 분광 분석기는 빛을 이용한 분석 장비를 총칭한다. 빛은 파형 길이에 따라 성분과 에너지 크기가 다르다. 분광 분석기(Spectrometer)는 빛의 종류에 따라 다양한 장비(예: UV-Vis Spectrophotometer, IR spectrometer, X-ray spectrometers)가 있는데, NMR은 파장이 긴 RF를 사용한다. 파장 길이는 에너지와 반비례하므로 NMR은 에너지가 낮은 빛을 사용하는 분석 장비이며, 이는 NMR이 다른 장비에 비해 감도가 낮은 이유 중 하나이다.
빛의 종류에 따라 측정 시료의 원자 또는 분자 운동 종류가 다르다. 분광 분석 장비는 시료에 빛을 주사하고, 시료는 고유 물성에 따라 양자화된 에너지를 흡수한다. 빛은 에너지 형태이므로 흡수된 에너지는 시료의 원자 또는 분자를 불안정한 상태로 만들고, 안정화하려는 방향으로 에너지를 방출한다. 이때 빛의 종류에 따라 운동 형태가 다르다. 라디오 파는 원자핵 회전 전이를 일으키며, 공명 형태로 특정 주파수에 반응한다.
NMR은 크게 Console, Magnet, Probe로 구성된다.
- Console: RF(라디오 파)를 실험에 알맞은 파형으로 만들어 시료에 주사하고 검출하는 등 NMR 운영 전반을 통제하고 제어하는 주 장치이다.
- Magnet: 측정 시료의 자장 환경을 조성한다.
- Probe: 시료를 자장 환경에 놓고, Console로부터 RF 펄스 명령을 받아 주사하고 검출한다.
Console에서 RF 파를 만들어 Probe를 통해 시료에 주사하면, 흡수된 RF는 다시 방출되어 Probe 코일을 통해 Console로 보내진다. 수신된 정보는 Console에서 여러 과정을 거쳐 푸리에 변환되어 사용자에게 스펙트럼 형태로 보여진다.
벡터 모델은 다양한 스핀 집단 중 단 하나의 스핀 집단만 다루며, 이 스핀 집단의 거동을 "고전적인 자화 벡터의 움직임"으로 생각하는 방법이다. 벡터 모델을 사용하면 스핀 집단의 거동이 마치 하나의 스핀처럼 표현된다.
5. 1. 1H-NMR
NMR 분광 분석은 주로 여러 유기 화합물의 분석과 화합물의 합성 확인을 위해 사용된다. 이때 가장 대중적으로 사용되는 분석이 바로 수소 원자의 스핀 공명을 통해 수소 원자를 분석하는 1H-NMR이다. 수소는 가장 기본적인 원자로 대부분의 유기 분자에 포함되어 있기 때문에 가장 대중적으로 사용된다. 수소의 핵자기 공명 분광을 통해 수소 원자가 어떤 원자와 결합을 하고 있는지, 나아가 어떤 작용기에 포함되어 있는지, 공간적 배열은 어떤지에 대해 알 수 있다. 1H-NMR을 사용할 시 분석하고자 하는 물질을 녹인 용매(solvent)에 존재하고 있는 수소 원자 역시 함께 분석되기 때문에, 이를 방지하기 위해서 1H-NMR 분석을 할 때는 용매 내의 모든 수소를 중수소로 대체한 중수소화 용매(deuterated solvent)를 이용한다.6. 2차원 NMR (2D-NMR)
유기화학에서 NMR 기술은 유기분자의 구조를 결정하는 데 큰 변화를 가져왔다. 일반적인 1차원 NMR 외에도, 복잡한 분자 구조 분석을 위해 2차원 NMR이 사용된다. 2차원 NMR에는 COSY, NOESY, HMBC, HSQC 등 다양한 종류가 있으며, 필요에 따라 선택하여 사용한다.
2차원 NMR에서는 자기장 펄스를 이용하여 코히어런스를 생성하고, 추가적인 펄스를 통해 이 코히어런스를 상호작용하는 다른 핵으로 이동시킨다. 이를 통해 원자 간의 상관관계를 파악할 수 있다. 측정하려는 상관관계에 따라 여러 개의 펄스가 특정 순서와 시간 간격(펄스 시퀀스)으로 가해진다.
펄스 시퀀스는 대략 다음 4단계로 구성된다.
1. 준비기: 측정 대상 첫 번째 핵에 코히어런스를 생성한다. (첫 번째 핵에 직접 펄스를 조사하는 경우 생략)
2. 전개기: 첫 번째 핵의 코히어런스가 시간에 따라 변화하는 단계.
3. 혼합기: 첫 번째 핵과 상호작용하는 두 번째 핵으로 코히어런스를 이동시킨다. (검출 펄스로 직접 이동시키는 경우 생략) 이동하는 코히어런스 크기는 전개기 길이와 첫 번째 핵의 라모어 주파수에 따라 달라진다.
4. 검출기: 두 번째 핵으로부터의 FID를 측정한다. FID 강도는 첫 번째 핵에서 이동한 코히어런스 크기에 비례한다.
전개기 시간 길이(''t''1)를 변경하면서 FID 강도를 측정하면, 첫 번째 핵의 라모어 주파수로 진동하는 것을 알 수 있다. FID를 푸리에 변환한 후 두 번째 핵의 신호 강도 역시 첫 번째 핵의 라모어 주파수로 진동한다. 따라서 두 번째 핵의 신호 강도를 푸리에 변환하면 첫 번째 핵의 라모어 주파수를 얻을 수 있어, 상호작용하는 두 핵의 정보를 얻게 된다.
7. 핵자기 공명 분광법
핵자기 공명 분광법(NMR spectroscopy)은 시료 내 핵 스핀의 공명 주파수의 화학적 이동을 이용하여 분자의 물리적, 화학적, 전자적 및 구조적 정보를 얻는 기술이다.[13] 용액 및 고체 상태 분자에 대한 정보를 제공할 수 있다.
라디오파는 원자핵의 회전 전이를 일으키며, 특정 주파수에서 공명한다. 핵을 둘러싼 전자껍질의 "차폐" 효과로 인해, 같은 핵종이라도 화학적 환경에 따라 공명 주파수가 미세하게 달라진다. 이를 화학적 이동이라 하며, 분자의 화학 구조 분석에 사용된다.[13]
고체 NMR 분광법에서는 마법각 회전(MAS)을 통해 화학적 이동 이방성을 평균화하여 고체 상태 분자 정보를 얻는다. 용액 상태에서는 분자 운동으로 인해 이방성이 평균화되므로 이 과정이 불필요하다.[1]
핵자기 공명 분광법은 유기 화합물의 동정이나 구조 결정에 유용하며, 단결정 X선 회절과 함께 구조 생물학에서 중요한 역할을 한다.
7. 1. 연속파(CW) 분광법
초기 핵자기 공명(NMR) 분광계는 연속파(CW) 분광법이라는 기술을 사용했다. 이 방법은 약한 진동 자기장에 의해 생성된 횡축 스핀 자화를 진동 주파수 또는 정자기장 세기 ''B''0의 함수로 기록한다.[12] 진동 주파수가 핵 공명 주파수와 일치하면 횡축 자화가 최대화되어 스펙트럼에서 피크가 나타난다. 고정된 자기장을 사용하고 진동 자기장의 주파수를 바꾸면서 NMR 스펙트럼을 얻을 수 있었지만, 실제로는 고정 주파수 소스를 사용하고 전자석의 전류(그리고 자기장)를 변화시켜 공명 흡수 신호를 관찰하는 것이 더 편리했다. 이 때문에 NMR 스펙트럼의 저주파 영역을 "고자장", 고주파 영역을 "저자장"이라고 부르는, 직관적이지 않지만 널리 쓰이는 용어가 생겨났다.1996년까지도 CW 장비는 유지 관리 및 작동 비용이 저렴하여 일상적인 작업에 사용되었다. 이 장비는 액체 헬륨 대신 물로 냉각되는 상대적으로 약한(비초전도) 전자석을 사용하여 60MHz로 작동했다. 하나의 라디오 코일이 주파수 범위를 연속적으로 바꾸면서 작동하는 동안, 다른 직교 코일은 송신기의 방사선을 수신하지 않도록 설계되어 용액에서 방향을 바꾼 핵으로부터 신호를 받았다.[28] 2014년에는 저가형 60MHz 및 90MHz 시스템이 FT-NMR 장비로 판매되었으며,[29] 2010년 "일반적인 주력" NMR 장비는 300MHz로 구성되었다.[30]
CW 분광법은 푸리에 변환 기법에 비해 비효율적인데, 이는 개별 주파수 또는 자기장 세기에서 순차적으로 NMR 응답을 조사하기 때문이다. NMR 신호는 기본적으로 약하므로 관찰된 스펙트럼은 낮은 신호 대 잡음비를 보인다. 이는 신호 평균화, 즉 반복 측정의 스펙트럼을 더함으로써 개선할 수 있다. NMR 신호는 각 스캔에서 동일하게 선형적으로 더해지지만, 임의 잡음은 더 느리게 더해진다. 이는 추가된 스펙트럼 수의 제곱근에 비례한다. 따라서 전체적인 신호 대 잡음비는 측정된 스펙트럼 수의 제곱근으로 증가한다. 그러나 시간의 함수로 단일 주파수에서 NMR 신호를 모니터링하는 것은 펄스 푸리에 변환 NMR 분광법보다 동역학 연구에 더 적합할 수 있다.[31]
7. 2. 푸리에 변환 분광법
리처드 어니스트(Richard R. Ernst)는 펄스 NMR의 선구자 중 한 명으로, 푸리에 변환 NMR과 다차원 NMR 분광법 개발에 대한 공로로 1991년 노벨 화학상을 수상했다.[32]핵자기 공명(NMR)의 대부분의 응용은 주파수의 함수로서 NMR 신호의 세기를 나타내는 전체 NMR 스펙트럼을 포함한다. 초기에는 단순한 연속파(CW) 방법보다 NMR 스펙트럼을 더 효율적으로 얻기 위해 두 개 이상의 주파수로 동시에 표적을 조사했다. NMR에 혁명이 일어난 것은 NMR 스펙트럼의 중간에 중심을 둔 주파수를 가진 짧은 고주파 펄스가 사용되기 시작했을 때였다. 짧은 펄스의 푸리에 변환은 주요 주파수 근처의 모든 주파수의 기여를 포함하기 때문에, 대부분의 가벼운 스핀- 핵에 대한 NMR 주파수의 제한된 범위는 전체 NMR 스펙트럼을 여기시키는 데 짧은(1~100 마이크로초) 고주파 펄스를 사용하는 것을 비교적 쉽게 만들었다.
이러한 펄스를 핵 스핀 집합에 적용하면 모든 단일 양자 NMR 전이가 동시에 여기된다. 순 자화 벡터의 관점에서 이것은 자화 벡터를 평형 위치에서 기울이는 것에 해당한다. 평형 상태가 아닌 자화 벡터는 스핀의 NMR 주파수로 외부 자기장 벡터 주위를 세차 운동한다. 이러한 진동하는 자화 벡터는 근처의 수신 코일에서 인덕턴스를 통해 전압을 유도하여 NMR 주파수로 진동하는 전기 신호를 생성한다. 이 신호는 자유 유도 감쇠(FID)로 알려져 있으며, 여기된 모든 스핀의 NMR 반응의 합을 포함한다. 주파수 영역 NMR 스펙트럼(NMR 흡수 강도 대 NMR 주파수)을 얻으려면 이 시간 영역 신호(강도 대 시간)를 푸리에 변환해야 한다. 다행히도 푸리에 변환(FT) NMR의 개발은 디지털 컴퓨터와 디지털 고속 푸리에 변환(FFT)의 개발과 일치했다.
7. 3. 다차원 NMR 분광법
특별히 설계된 패턴이나 펄스 시퀀스에서 서로 다른 지속 시간, 주파수 또는 모양의 펄스를 사용하면 시료 내 분자에 대한 다양한 유형의 정보를 포함하는 스펙트럼을 생성할 수 있다. 다차원 핵자기 공명 분광법에서는 최소한 두 개의 펄스가 있는데, 하나는 직접 검출된 신호로 이어지고 다른 하나는 그 이전에 시작 자화 및 스핀 상태에 영향을 미친다. 전체 분석에는 펄스 타이밍을 체계적으로 변화시켜 스핀 시스템의 진동을 시간 영역에서 점별로 조사하기 위해 시퀀스를 반복하는 작업이 포함된다. 다차원 시간 신호의 다차원 푸리에 변환은 다차원 스펙트럼을 생성한다. 이차원 핵자기 공명 분광법(2D-NMR)에서는 펄스 시퀀스에 체계적으로 변화하는 시간 간격이 하나 있으며, 이는 검출된 신호의 강도 또는 위상을 변조한다. 3D-NMR에서는 두 개의 시간 간격이 독립적으로 변하고 4D-NMR에서는 세 개가 변한다.이러한 실험은 많이 있다. 어떤 실험에서는 고정된 시간 간격을 통해(그 외에도) 핵 간의 자화 전달이 허용되고, 따라서 자화 전달을 허용한 핵-핵 상호 작용의 종류를 검출할 수 있다. 검출할 수 있는 상호 작용은 일반적으로 두 가지 유형으로 분류된다. 즉, '결합을 통한' 상호 작용과 '공간을 통한' 상호 작용이 있다. 결합을 통한 상호 작용은 원자의 구조적 연결성과 관련이 있으며 어떤 원자가 서로 직접 연결되어 있고, 단일 중간 원자를 통해 연결되어 있는지 등에 대한 정보를 제공한다. 공간을 통한 상호 작용은 쌍극자 결합 및 핵 오버하우저 효과의 영향을 포함한 실제 기하학적 거리와 각도와 관련이 있다.
2D-FT NMR의 기본 개념은 브뤼셀 자유 대학교의 장 제너에 의해 국제 학회에서 제안되었지만, 이 아이디어는 주로 FT NMR, 특히 소분자의 2D-FT NMR을 포함한 다차원 FT NMR에 대한 그의 연구로 1991년 노벨 화학상을 수상한 리처드 R. 어니스트에 의해 크게 발전되었다.[33] 다차원 FT NMR 실험은 그 후 용액 내 분자, 특히 단백질 또는 심지어 작은 핵산과 같은 생체 고분자의 구조 결정을 위한 강력한 방법론으로 더욱 발전했다.[34]
2002년 쿠르트 뷔트리히는 용액 내 단백질 FT NMR에 대한 그의 연구로 존 베넷 펜과 다나카 고이치와 함께 노벨 화학상을 공동 수상했다.
7. 4. 고체 NMR 분광법
이 기법은 X선 결정학을 보완하는데, 비정질 또는 액정 상태의 분자에 자주 적용될 수 있기 때문이다. 반면 결정학은 이름에서 알 수 있듯이 결정상의 분자에 대해 수행된다. 전기적으로 전도성이 있는 물질에서 공명 주파수의 나이트 이동은 이동 전하 캐리어에 대한 정보를 제공할 수 있다. 고체의 구조를 연구하는 데 핵자기 공명이 사용되지만, 고체 상태에서 광범위한 원자 수준의 구조적 세부 사항을 얻는 것은 더 어렵다. 화학적 이동 비등방성(CSA) 및 다른 핵 스핀에 대한 쌍극자 결합에 의한 확장으로 인해, MAS 또는 RF 펄스에 의한 쌍극자 디커플링과 같은 특수 기술 없이는 관찰된 스펙트럼은 종종 고체 내 비사중극자 스핀에 대해 넓은 가우스 띠일 뿐이다.[1]영국의 노팅엄 대학교의 Raymond Andrew 교수는 고해상도 고체 핵자기 공명 개발을 개척했다. 그는 MAS(마법 각도 시료 회전; MASS) 기법을 도입한 최초의 연구자였으며, 이를 통해 서로 다른 화학적 이동 또는 고유한 나이트 이동을 갖는 화학 그룹을 구별하기에 충분한 고체에서의 스펙트럼 분해능을 달성할 수 있었다. MASS에서 시료는 정적 자기장 '''B'''0의 방향과 소위 마법 각도 ''θ''m(~54.74°, 여기서 3cos2''θ''m-1 = 0)를 이루는 축을 중심으로 수 킬로헤르츠로 회전한다. 이러한 마법 각도 시료 회전의 결과로 넓은 화학적 이동 비등방성 띠는 해당 평균(등방성) 화학적 이동 값으로 평균화된다. 화학적 이동 비등방성 확장을 상쇄하기 위해 시료 회전축을 ''θ''m에 최대한 가깝게 정렬하는 것이 필수적이다. 전기 사중극자 상호 작용 및 상자성 상호 작용의 평균화를 위해 적용된 자기장에 대한 시료 회전의 각도는 각각 ~30.6° 및 ~70.1°이다. 비정질 재료에서 각 세그먼트는 약간 다른 환경에 있으므로 약간 다른 NMR 주파수를 나타내기 때문에 잔여 선 확장이 남아 있다.[1]
근처 1H 핵에 대한 쌍극자 또는 J-결합에 의한 선 확장 또는 분리는 신호 감지 중에 1H 주파수에서 적용되는 고주파 펄스에 의해 일반적으로 제거된다. Sven Hartmann과 어윈 한이 개발한 교차 편광의 개념은 M.G. Gibby, 알렉스 파인스 및 존 S. 와에 의해 양성자로부터 덜 민감한 핵으로 자화를 전달하는 데 사용되었다. Jake Schaefer와 Ed Stejskal은 MAS 조건(CP-MAS) 및 양성자 디커플링 하에서 교차 편광의 강력한 사용을 시연했는데, 이는 현재 고체에서 탄소-13, 실리콘-29 또는 질소-15와 같은 저 풍부도 및 저 감도 핵의 고해상도 스펙트럼을 측정하는 데 일반적으로 사용된다. 일반적으로 110K 근처의 온도에서 짝을 이루지 않은 전자로부터 핵으로 동적 핵 분극을 통해 상당한 추가 신호 증강을 달성할 수 있다.[1]
7. 5. 감도
핵자기 공명(NMR) 신호의 세기 및 감도는 자기장의 세기에 따라 달라지므로, 더 강력한 자석이 개발되면서 이 기술은 발전해 왔다. 또한 시청각 기술의 발전은 새로운 기기의 신호 생성 및 처리 능력을 향상시켰다.[21]핵자기 공명 신호의 감도는 자기적으로 감수성이 있는 핵종의 존재 여부와 그 핵종의 자연 존재비, 또는 연구 중인 분자를 인위적으로 풍부하게 할 수 있는 능력에 따라 달라진다. 예를 들어, 수소와 인의 가장 풍부한 천연 동위원소는 자기적으로 감수성이 있어 핵자기 공명 분광법에 쉽게 사용할 수 있다. 반면, 탄소와 질소는 유용한 동위원소를 가지고 있지만, 자연 존재비가 매우 낮다.[21]
감도에 영향을 미치는 다른 요인은 현상의 양자 역학적 특성에서 비롯된다. 라디오파에 해당하는 에너지로 분리된 양자 상태의 경우, 열에너지는 상태의 개체수가 거의 같도록 만든다. 들어오는 방사선은 흡수만큼 자극 방출을 일으킬 가능성이 같기 때문에, NMR 효과는 낮은 상태에 있는 핵의 과잉에 의존한다. 감도를 감소시키는 요인은 다음과 같다.[21]
- 온도 증가: 볼츠만 분포에 따라 상태의 개체수를 균일하게 만들어 감도를 감소시킨다. 반대로, 저온 NMR은 샘플이 액체 상태를 유지하는 경우 상온 NMR보다 더 나은 결과를 얻을 수 있다.
- 공명 라디오 주파수 에너지로 인한 샘플 포화: 연속파(CW) NMR에서는 너무 많은 연속 전력을 사용하여 상위 스핀 레벨이 완전히 채워져 발생하고, 펄스 NMR에서는 각 펄스(적어도 90° 펄스)가 샘플을 포화시켜 발생한다. 다음 펄스를 적용하기 전에 4~5배의 종방향 이완 시간(5T₁)이 지나야 한다. 단일 펄스 실험의 경우, 더 짧은 RF 펄스를 사용하여 신호 강도를 다소 잃는 대신 더 짧은 재순환 지연 시간을 허용할 수 있다. 최적값은 리처드 어니스트의 이름을 따서 "어니스트 각도"라고 한다.
- 비자기적 효과: 스핀-1 및 스핀-3/2 핵과 국부 환경의 전기적 사중극자 결합은 흡수 피크를 넓히고 약화시킨다. 풍부한 스핀-1 핵인 link=yes는 이러한 이유로 연구하기 어렵다. 대신 고해상도 NMR은 더 드문 link=yes 동위원소(스핀-1/2)를 사용한다.
8. 응용
핵자기 공명(NMR)은 의학, 화학, 산업 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 특히 비파괴 검사 방법으로 유용하며, 위험한 시료를 분석하는 데도 적합하다.[36]
- 의학: 자기 공명 영상(MRI)은 핵자기 공명을 이용하여 인체 내부를 영상화하는 기술로, 질병 진단에 널리 사용된다. 자기 공명 현미경은 연구 환경에서 사용되며, 생체 내 자기 공명 분광법 또는 화학적 이동 NMR 현미경을 통해 생체 조직(예: 뇌종양)의 생화학 정보를 얻을 수 있다.[36]
- 화학: 유기화학에서는 화학 물질 분석에 널리 사용되며, 양성자 NMR, 탄소-13 NMR, 중수소 NMR, 인-31 NMR 등 NMR 분광법을 통해 분자 구조를 분석한다. 대사체학에서는 NMR을 이용하여 생체액에서 대사 지문을 생성하고, 질병 상태나 독성 손상에 대한 정보를 얻는다.[36]
- 산업: 식품의 물과 지방 비율 측정, 파이프 내 부식성 유체 흐름 모니터링, 촉매와 같은 분자 구조 연구 등에 활용된다. 또한, 배터리 소재의 국부적 구조와 이온 동역학을 연구하는 데도 사용된다. NMR은 배터리 내 단거리 원자 환경에 대한 정보를 제공하며, 전극 및 구조 변환, 금속 수지상 성장, 고체 전해질 및 계면 연구 등에 활용된다.[36]
- 석유 산업: 석유 및 천연가스 탐사 및 회수를 위한 데이터 수집에 활용된다. 암석의 공극률 측정, 공극 크기 분포로부터 투수율 추정, 공극 유체(물, 석유, 가스) 식별 등에 사용된다.[47]
- 화학 공정 제어 및 최적화: 정유 공장과 석유화학 공장에서 실시간으로 원료와 제품을 분석하여 공정 단위를 제어하고 최적화하는 데 활용된다. 저자장 NMR 분광기와 고분해능 FT-NMR 분광기가 사용된다.[47]
- 순도 결정: 화합물의 구조와 분자량이 알려져 있는 경우, 핵자기 공명을 이용하여 순도를 결정할 수 있다. 이 방법은 알려진 순도의 내부 표준물질을 사용하여 시료의 순도를 계산하는 방식으로 이루어진다.[36]
8. 1. 지구 자기장 NMR
지구 자기장에서 NMR 주파수는 오디오 주파수 범위 또는 초저주파 및 극저주파 무선 주파수 스펙트럼 대역에 있다. 지구 자기장 NMR(EFNMR)은 일반적으로 시료에 상대적으로 강한 직류 자기장 펄스를 인가하고, 펄스 종료 후 자유 유도 감쇠(FID)로 인해 지구 자기장에서 발생하는 저주파 교류 자기장을 분석하여 자극한다. 이러한 효과는 일부 유형의 자력계, EFNMR 분광계 및 MRI 이미저에서 활용된다. 저렴하고 휴대가 간편하다는 특징 때문에 현장 사용 및 NMR과 MRI 원리 교육에 유용하다.고자장 NMR과 비교했을 때 EFNMR 분광법의 중요한 특징은 저자장 및 저주파에서 분자 구조의 특정 측면을 더 명확하게 관찰할 수 있는 반면, 고자장에서 관찰 가능한 다른 측면은 저자장에서는 관찰할 수 없다는 것이다. 그 이유는 다음과 같다.
- 전자 매개 이종핵 ''J''-결합(스핀-스핀 결합)은 자장과 무관하며, 몇 Hz 간격으로 분리된 두 개 이상의 주파수 클러스터를 생성한다. 이는 약 2kHz의 기본 공명에서 더 쉽게 관찰된다.
- ppm 단위의 화학적 이동은 고자장 NMR 스펙트럼에서 명확하게 분리되지만, 양성자 EFNMR 주파수에서는 몇 밀리헤르츠만 분리되므로 일반적으로 분해되지 않는다.
8. 2. 영자기장 NMR
영자기장 NMR에서는 모든 자기장이 차폐되어 1 nT(나노테슬라) 이하의 자기장이 달성되고, 모든 원자핵의 핵 세차 진동수가 0에 가깝고 구별할 수 없게 된다.[21] 이러한 상황에서 관찰되는 스펙트럼은 더 이상 화학적 이동에 의해 결정되지 않고, 외부 자기장과 무관한 ''J''-결합 상호작용에 의해 주로 결정된다. 유도 검출 방식은 ''J''-결합(일반적으로 0~1000 Hz) 정도의 매우 낮은 주파수에서는 민감하지 않으므로, 대체 검출 방식이 사용된다. 특히, 민감한 자력계가 영자기장 NMR에 대한 좋은 검출기임이 밝혀졌다. 영자기장 환경은 편극을 제공하지 않으므로, 영자기장 NMR을 바람직하게 만드는 것은 영자기장 NMR과 초편극 방식의 조합이다.8. 3. 양자 컴퓨팅
핵자기 공명(NMR) 양자 컴퓨팅은 분자 내 원자핵의 스핀 상태를 큐비트로 사용하며, 다른 양자 컴퓨터 구현 방식과 달리 분자라는 앙상블을 사용한다. 핵자기 공명을 이용하는 것은 양자 컴퓨터를 구현하는 방법 중 하나로 제안되고 있으며, 양자 비트에는 원자핵 스핀을 사용한다.[3]8. 4. 자력계
여러 자력계는 핵자기 공명(NMR) 효과를 이용하여 자기장을 측정하는데, 여기에는 양성자 세차 운동 자력계(PPM)(양성자 자력계로도 알려져 있음)와 오버하우저 자력계가 포함된다.8. 5. 표면 핵자기 공명(SNMR)
표면 핵자기 공명(또는 핵자기 공명 사운딩, Surface nuclear magnetic resonance, SNMR)은 핵자기 공명(NMR)의 원리를 기반으로 하며, 측정 결과는 지구 지하의 포화대와 불포화대의 함수량을 간접적으로 추정하는 데 사용될 수 있다.[52] SNMR은 대수층의 특성, 특히 대수층에 포함된 수량, 공극률, 그리고 수리 전도도를 추정하는 데 사용된다.참조
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