Kernspinresonantie: verschil tussen versies

Wordt er nu een uitwendig magnetisch veld aangelegd dan kan dit magnetisch veld van zo'n atoomkern een aantal [[kwantumtoestand]]en aannemen: een [[proton (deeltje)|proton]] (waterstofkern) bijvoorbeeld kan met het veld mee (parallel) of tegen het veld in (antiparallel) gericht staan; deze twee kwantumtoestanden hebben dus een [[energie]]verschil omdat er [[arbeid (natuurkunde)|arbeid]] moet worden verricht om een kern van de 'mee'-toestandene in de 'tegen'-andere toestand te zetten. Dit energieverschil is recht evenredig met de [[magnetische veldsterkte]] en bij een voldoende sterk magneetveld is de benodigde energie in de orde van grootte van een radiofrequent [[foton]]. Het bestralen met radiogolfvelden van een monster dat protonen bevat zal dus een aantal kernspins doen 'omklappen'. Als men daarna even wacht, zullen de [[Excitatie (kwantummechanica)|geëxciteerde spins]] ook weer (met een bepaalde [[halveringstijd]], de zogenaamde [[relaxatietijd]]) terugvallen, onder uitzending van [[radiostraling]].

Een volgende belangrijke doorbraak van kernspinresonantie kwam in 1946 toen twee onderzoeksteamonderzoeksteams, onafhankelijk van elkaar, erin slaagden om magnetische resonantie te detecteren in vloei- en vaste stoffen. Aan het Massachussetts Institute of Technology slaagden [[Edward Mills Purcell]], Henry Torrey en [[Robert Pound]] erin kernspinresonantie waar te nemen en te meten in een kilogram 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 verhoogdte kon wordenverhogen met de introductie van korte, energierijke microgolfpulsen. Tevens introduceerde hij het gebruik van computers voor het doorberekenen van de meetdata. Later ontwikkelde ErnstErnsts 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 medischmedische diagnose. Kernspinresonantie bleek met name zeer geschikt te zijn voor het meten van waterstofatomen die in koolstofverbindingen voorkomen. De eerste stappen van [[kernspintomografie]] (MRI) werden begin jaren zeventig onder andere gezet door [[Raymond Damadian]], [[Paul Lauterbur]] en [[Peter Mansfield]]. Voor hun toepassing van MRI in de medische wereld ontvingen Lauterbur en Mansfield in 2003 de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde.

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 [[structuuranalyse|bepalen van de structuur]] van [[organische verbinding]]en.

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 3-dimensionaaldriedimensionaal beeld worden opgebouwd.

Een veelgebruikte kern is hetde 13-koolstof [[isotoop]] koolstof-13. Ongeveer 1,1% van de koolstofatomen op aarde is koolstof-13 en het is een stabiel (niet [[radioactief]]) isotoop, die net als waterstof een spin van 1/2 bezit. Het gebruik van deze kern in de organische spectroscopie biedt een directe blik in het hart van organische moleculen. Door het relatief weinig voorkomen van C-13 is er nauwelijks interactie tussen twee C-13 -atomen in één molecule: de spectra zijn in vergelijking met waterstofspectra erg eenvoudig. De interactie tussen waterstofatomen aan de te meten koolstof is wel duidelijk, en geeft, samen met de [[chemische verschuiving]], een indruk van de chemische omgeving van het koolstofatoom.

Voor kinetische studies wordt gebruikgemaakt van C-13 verrijkt uitgangsmateriaal. Dit wil zeggen dat tijdens de bereiding van het uitgangsmateriaal voor ééneen van de koolstofatomen specifiek C-13 gebruikt is. Door in de reactieproducten vast te stellen in welke verbindingen de extra C-13 wordt gevonden (en waar in het molecule) kan een uitspraak gedaan worden over het precieze verloop van de reactie. Voor de introductie van de [[Fourieranalyse]] werd dit soort studies vaak met het radioactieve koolstof-14 uitgevoerd. Het voordeel daarvan is dat er nauwelijks dure apparatuur nodig is voor de detectie (radioactiviteit is met een simpele fotografische plaat vast te stellen). Het nadeel is uiteraard het werken met radioactieve verbindingen.

P-31 heeft ook, net als waterstof, een spin van 1/2. Vooral in de biochemie met zijn vele verschillende fosfaten is dit een vaak gebruikte NMR-analyse.

F-19 heeft ook, net als waterstof, een spin van 1/2. De toepassing van F-19 NMR is beperkt tot de speciale tak van wetenschap: de fluor-chemie.

Voor de studie van het lot van koolstof tijdens reacties is koolstof-13 de aangewezen NMR-techniek, voor het lot van waterstof is de H-2 of ([[deuterium|D]]) beschikbaar. Deuterium heeft een spin van 1. Het gevolg is dat er drie in plaats van twee mogelijke oriëntaties zijn ten opzichte van een uitwendig magneetveld.

Een kernspin in een gecondenseerde fase (vloeistof, glas, kristallijne vaste stof) ondervindt een groot aantal wisselwerkingen van de andere spins rondom. Bovendien is het NMR -signaal van een atoom in een molecuul afhankelijk van de oriëntatie van het molecuul in het magneetveld. Door die wisselwerkingen en het feit dat een monster meestal moleculen bevat in willekeurige oriëntaties, kan het NMR-signaal erg breed en oninteressant worden. In een vloeistof kunnen de moleculen snel ten opzichte van elkaar bewegen, en tegelijk ook heel snel en continu hun oriëntatie veranderen. Daardoor middelt het merendeel van deze wisselwerkingen elkaar uit. Dit is de reden dat een (klein genoeg) molecuul in een oplosmiddel een scherp en informatierijk spectrum vertoont. In een vaste stof kunnen de moleculen zich niet zo bewegen of omwentelen, wat er toe leidt dat de NMR -pieken vaak heel breed zijn. Deze brede signalen zijn heel moeilijk te detecteren en overlappen vaak zo erg dat interpretatie van de signalen niet mogelijk is.

Praktische vaste stof NMR is daarom meestal gebaseerd op experimenten die de NMR -signalen scherper te maken. Meestal gebeurt dit door het hele monster razendsnel onder een hoek van ca 54 graden met de richting van het magnetisch veld om te wentelen. Als dit snel genoeg gebeurt (duizenden rotaties per seconde!) dan middelen de genoemde wisselwerkingen zich namelijk ook grotendeels uit en wordt er een bruikbaar spectrum verkregen. Deze techniek is de basis van de zogenaamde "magic angle spinning" (MAS) [[vastestof-NMR]]. Als een alternatief, kan men ook de signaal verbredingsignaalverbreding door de willekeurige oriëntaties van een gepoederd monster vermijden door de moleculen in het magneetveld te oriënteren.