thumb|Een NMR-spectrometer (Bruker), die het principe van kernspinresonantie gebruikt om de structuur van moleculen te onderzoeken Kernspinresonantie (Engels: nuclear magnetic resonance), afgekort als NMR, is een natuurkundig fenomeen dat optreedt wanneer atoomkernen in een sterk magnetisch veld worden geplaatst en blootgesteld worden aan bepaalde elektromagnetische frequenties. De atoomkernen zullen daarbij resonantie vertonen, wat inhoudt dat ze hun eigen specifieke frequenties uitstralen. Deze frequenties kunnen worden gedetecteerd, en weergegeven in een spectrum (NMR-spectrum).
Kernspinresonantie vindt middels NMR-spectroscopie zijn toepassing in verschillende takken van de wetenschap, zoals scheikunde, biochemie en geneeskunde. Het wordt onder andere gebruikt om molecuulstructuren op te helderen, isomeren van elkaar te onderscheiden, en de ruimtelijke structuur van eiwitmoleculen te bepalen. Daarnaast is het ook het principe achter de medische beeldvormingstechniek van MRI-scans.
Principe thumb|Kernspinresonantie. B0: magnetisch veld, m: spin, x y z: drie assen Net als elektronen hebben sommige atoomkernen een spin, die een soort onbepaalde, intrinsieke (kwantum)fysische eigenschap is. Doordat een atoomkern een geladen deeltje is, ontstaat door deze spin een magnetisch veld.
Wordt er een uitwendig magnetisch veld aangelegd dan kan dit magnetisch veld van zo'n atoomkern een aantal kwantumtoestanden aannemen: een kernspin kan met het veld mee (parallel) of tegen het veld in (antiparallel) gericht staan; deze twee kwantumtoestanden hebben dus een energieverschil omdat er arbeid moet worden verricht om een kern van de ene in de andere toestand te zetten. Dit energieverschil is recht evenredig met de magnetische veldsterkte en bij gangbare magneetveldsterktes (B0) in de orde van 0,5 tot 30 Tesla is de benodigde energie in de orde van grootte van een radiofrequent foton, grofweg in het HF- tot UHF-frequentiegebied voor waterstofkernen.
Monsters die met NMR-spectroscopie worden bestudeerd, bestaan doorgaans uit een groot aantal kernspins, waardoor het gehele ensemble aan spins via het correspondentieprincipe als bulkmagnetisatievector beschouwd kan worden. De magnetisatievector wijst in de evenwichtstoestand parallel aan het hoofdmagneetveld B0. NMR-spectroscopie wordt doorgaans uitgevoerd door het sturen van een korte radiofrequente puls (in de orde van microseconden) die door een resonante LC-kring loopt. Het monster bevindt zich in het centrum van de spoel (inductor L) en ondervindt een tijdelijk resonant magneet B1, die de magnetisatievector vanuit de z-as (B0) naar het xy-vlak brengt. De magnetisatievector zal met de frequentie in het xy-vlak roteren (analoog aan gyroscopische precessie). De rotatie van een deze magnetische vector zal een wisselstroom in de spoel L induceren, waarbij de stroom uit een of meer frequenties bestaat. Deze frequenties worden bepaald door de chemische verschuiving(en) die bij de kernspins in het sample horen. Door deze wisselstroom te digitaliseren en naar een frequentiespectrum te vertalen door middel van Fouriertransformatie kan de chemische samenstelling, dynamica en conformatie van een monster worden bepaald.
Er bestaan ook meer exotische detectiemethoden, bijvoorbeeld door NV-defectcentra in diamant of alkalidampcellen. Deze methoden zijn meer geschikt voor extreem lage magneetvelden (zero-to-ultralow-field NMR, ZULF), waarbij inductieve detectie middels een spoel niet meer efficiënt is.
Geschiedenis Tijdlijn van kernspinresonantie 1922 Stern en Gerlach ontwikkelen de moleculaire bundelmethode. 1925 Uhlenbeck en Goudsmit ontdekken het concept van elektronenspin. 1937 Rabi neemt voor het eerst kernspinresonantie waar. 1944 Rabi ontvangt de Nobelprijs voor de ontdekking van kernspinresonantie. 1945 Purcell, Torrey en Pound tonen kernspinresonantie experimenteel aan in paraffine. 1946 Bloch, Hansen en Packard demonstreren kernspinresonantie in water. 1957 Lauterbur en Holm nemen voor het eerst het koolstof-13 spectrum waar. 1961 De eerste NMR-spectrometer is commercieel verkrijgbaar. 1971 Damadian maakt de eerste 2D MRI-beelden. 1991 Ernst ontvangt de Nobelprijs voor zijn bijdragen in hoog-resolutie NMR. 2002 Wüthrich ontvangt de Nobelprijs voor de ontwikkeling van 3D NMR. 2003 Lauterbur en Mansfield ontvangen de Nobelprijs voor hun werk op het gebied van MRI. Kernspinresonatie of magnetische resonantie van atomen werd voor het eerst wetenschappelijk beschreven en gemeten in moleculaire bundels door Isidor Isaac Rabi in 1938. Hierbij maakte hij gebruik van de techniek van het Stern-Gerlach-experiment, een proef in 1922 uitgevoerd door Otto Stern en Walther Gerlach. In dit experiment namen Stern en Gerlach waar dat een moleculaire bundel die een magnetisch veld passeert in twee delen wordt opgesplitst. Dit fenomeen kon in 1925 worden verklaard door de ontdekking van elektronenspin door Uhlenbeck en Goudsmit. In 1933 had Stern met zijn moleculaire bundelmethode ook het magnetisch moment (of spin) van het proton bepaald.
Rabi, een voormalig postdoc-student van Stern, verbeterde Sterns moleculaire bundelmethode en breidde die uit door het magnetisch moment van een (ongeladen) molecuul te meten. Belangrijkste innovatie van Rabi was het toevoegen van een extern radiogolfveld loodrecht op het magneetveld. Hij slaagde erin atoomkernen op bepaalde overgangen in resonantie brengen en daarbij de spin van de kern om te draaien. Hiermee kon hij de magnetische eigenschappen van atoomkernen vastleggen.
Een volgende belangrijke doorbraak van kernspinresonantie kwam in 1946 toen twee onderzoeksteams, onafhankelijk van elkaar, erin slaagden om magnetische resonantie te detecteren in vloei- en vaste stoffen. Aan het Massachusetts Institute of Technology slaagden Edward Mills Purcell, Henry Torrey en Robert Pound erin kernspinresonantie waar te nemen en te meten in een blok paraffine van een kilogram. Tegelijkertijd wisten Felix Bloch, William Hanson en Martin Packard van de Stanford-universiteit kernspinresonantie op te wekken in een vat gevuld met twee kubieke centimeter water. In 1952 ontvingen Purcell en Bloch gezamenlijk de Nobelprijs voor deze ontdekkingen.
Wetenschappers realiseerden al snel dat kernspinresonantie ook bruikbaar was op gebieden buiten de natuurkunde, bijvoorbeeld in de scheikunde maar vooral in de biochemie om de eigenschappen en structuur van complexe koolwaterstofmoleculen te bestuderen. Pioniers op dit gebied waren de Zwitsers Richard R. Ernst en Kurt Wüthrich. Ernst slaagde in de jaren zestig erin de lage gevoeligheid van NMR-spectroscopie sterk te verhogen met de introductie van korte, energierijke microgolfpulsen. Tevens introduceerde hij het gebruik van computers voor het doorberekenen van de meetdata. Later ontwikkelde Ernsts collega Wüthrich een methode om met kernspinresonantie de driedimensionale structuren van proteïnes en nucleïnezuren te bepalen. Voor hun werk ontvingen Ernst en Wüthrich in respectievelijk 1991 en 2002 de Nobelprijs voor de Scheikunde.
De grootste doorbraak (en de bekendste) van het gebruik van kernspinresonantie lag op het gebied van de medische diagnose. Kernspinresonantie bleek met name zeer geschikt te zijn voor het meten van protonen in watermoleculen, die in verschillende chemische omgevingen in het lichaam voorkomen. De eerste stappen van kernspintomografie (MRI) werden begin jaren zeventig onder andere gezet door Raymond Damadian, Paul Lauterbur en Peter Mansfield. MRI-afbeeldingen ontlenen hun contrast aan de verschillen in relaxatietijd (T1 of T2) die watermoleculen in diverse weefsels ondervinden. Voor hun toepassing van MRI in de medische wereld ontvingen Lauterbur en Mansfield in 2003 de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde.
Berekeningen Beweging Het magnetische moment van de kern ten gevolge van zijn spin wordt gegeven door:
Klassieke behandeling: we bekijken spin als impulsmoment met bewegingsvergelijking:
Het krachtmoment door een uitwendig veld B0 uitgeoefend op een magnetisch moment:
We combineren de twee voorgaande formules en passen die toe voor het geval van spin:
We vermenigvuldigen beide leden van de uitdrukking met de gyromagnetische verhouding:
Deze laatste vergelijking kunnen we herschrijven door de eerste formule te gebruiken:
Het rechterlid van de uitdrukking is een vectorieel product, dit wil zeggen dat de resulterende vector loodrecht zal staan op het vlak gevormd door de twee vectoren van het product.
Toegepast in dit geval wil dat zeggen dat de verandering van het magnetisch moment zich manifesteert in een vlak loodrecht op het aangelegde magnetisch veld B0. Bovendien staat deze verandering ook loodrecht op het magnetisch moment zelf, waardoor de grootte van deze vector niet verandert, enkel de richting. Deze twee vaststellingen leiden tot de conclusie dat het magnetisch moment een precessie uitvoert rond het aangelegde magnetisch veld B0.
Hoeksnelheid De hoeksnelheid van deze precessie kunnen we schrijven in een zeer algemene vorm:
We drukken de hoekverandering uit in functie van de verandering in magnetisch moment: (dit is niet meer dan het delen van de booglengte door de straal om de hoek te bekomen)
Waarmee we nu de formule voor de hoeksnelheid van de precessie kunnen schrijven als:
Hierin kunnen we dan de laatste formule uit vorig puntje substitueren en we vinden:
De grootte van het vectorieel product berekenen:
Waarin we twee factoren kunnen schrappen in zowel teller als noemer, we vinden:
Als we er rekening mee houden dat deze vectoren een tegengestelde zin hebben dan:
Deze hoeksnelheid wordt de Larmor-frequentie genoemd.
Proton-NMR
Elektronen fungeren als een kooi van Faraday, omdat zij een negatief geladen schil om de protonen vormen. Dit effect vermindert het effect van het hoofdveld en daarmee ook het energieverschil tussen spin-up en spin-down. Hoe meer elektronen, hoe dikker de schil en hoe meer afscherming en daarmee ook een lagere excitatiefrequentie. De elektronegativiteit van omliggende atomen bepaalt in sterke mate de elektronendichtheid rond een waterstofkern. Bevindt zich binnen vier bindingen bijvoorbeeld een chlooratoom, dan zal deze een sterk zuigend effect uitoefenen op de elektronen, wat de afscherming doet verminderen.
Zijn de protonen in het monster niet allemaal omgeven door dezelfde hoeveelheid elektronen, dan reageren ze bij een gegeven sterkte van het magneetveld bij verschillende energieën. Omdat ook de elektronenwolken in het molecuul of atoom reageren op het magneetveld en dit bij het proton beïnvloeden, waardoor de netto sterkte van het magneetveld dat door het proton wordt gevoeld, verschillend is tussen bijvoorbeeld waterstofkernen in een methylgroep of een hydroxylgroep. Hierdoor geven waterstofkernen met een verschillende chemische omgeving een ander signaal terug, waarvan door scheikundigen dankbaar gebruik wordt gemaakt bij het bepalen van de structuur van organische verbindingen.
In de geneeskunde wordt gebruikgemaakt van een zeer homogeen magneetveld met daarop gesuperponeerd een gradiënt-magneetveld waardoor steeds maar een heel klein deeltje van het af te beelden lichaam kan reageren op radio-energie met de uitgezonden frequentie. Door dit gebiedje te variëren kan uit de signaalsterkte op verschillende plaatsen een driedimensionaal beeld worden opgebouwd.
Andere kernen