Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (Nuclear magnetic resonance) (NMR) είναι ένα φυσικό φαινόμενο στο οποίο οι πυρήνες σε ένα μαγνητικό πεδίο απορροφούν και επανεκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτή η ενέργεια έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα συντονισμού που εξαρτάται από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου και τις μαγνητικές ιδιότητες του ισοτόπου των ατόμων· στις πρακτικές εφαρμογές, η συχνότητα είναι παρόμοια με τις τηλεοπτικές συχνότητες VHF και υπέρψηλες συχνότητες (UHF) των (60–1000 MHz).
Το NMR επιτρέπει την παρατήρηση ειδικών κβαντικών μαγνητικών ιδιοτήτων του ατομικού πυρήνα. Πολλές επιστημονικές τεχνικές εκμεταλλεύονται τα φαινόμενα NMR για να μελετήσουν τη μοριακή φυσική, τους κρυστάλλους και μη κρυσταλλικά υλικά μέσα από τη φασματοσκοπία NMR. Το NMR χρησιμοποιείται επίσης συστηματικά σε προχωρημένες τεχνικές ιατρικής απεικόνισης, όπως στην μαγνητική τομογραφία (magnetic resonance imaging)(MRI).

Όλα τα ισότοπα που περιέχουν έναν περιττό αριθμό πρωτονίων και/ή νετρονίων έχουν μία εσωτερική μαγνητική ροπή και στροφορμή, με άλλα λόγια ένα μη μηδενικό σπιν (spin) ή αυτοστροφή ή ιδιοστροφορμή ή ιδιοστροφή, ενώ όλα τα νουκλεΐδια (ή νουκλίδια)(nuclides) με άρτιους αριθμούς και των δύο έχουν ένα ολικό σπιν μηδέν. Τα πιο συνήθως μελετημένα νουκλεΐδια είναι τα και , αν και οι πυρήνες από ισότοπα πολλών άλλων στοιχείων , , , , , , , , , , , , , , έχουν μελετηθεί από φασματοσκοπία NMR υψηλού πεδίου, επίσης.

Ένα βασικό γνώρισμα του NMR είναι ότι η συχνότητα συντονισμού μιας συγκεκριμένης ουσίας είναι ευθέως ανάλογη της έντασης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτό το γνώρισμα χρησιμοποιείται στις τεχνικές απεικόνισης· αν ένα δείγμα τοποθετηθεί σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο, τότε οι συχνότητες συντονισμού των πυρήνων του δείγματος εξαρτώνται από το πού βρίσκονται στο πεδίο. Επειδή η ανάλυση της τεχνικής απεικόνισης εξαρτάται από το μέγεθος της βαθμίδωσης του μαγνητικού πεδίου, γίνονται πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη αυξημένης έντασης πεδίου, χρησιμοποιώντας συχνά υπεραγωγούς. Η αποτελεσματικότητα του NMR μπορεί επίσης να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας υπερπόλωση και/ή χρησιμοποιώντας δισδιάστατες, τρισδιάστατες ή υψηλότερων διαστάσεων τεχνικές πολλαπλής συχνότητας.

Η αρχή του NMR περιλαμβάνει συνήθως δύο διαδοχικά βήματα:
*Τη στοίχιση (πόλωση) των πυρηνικών μαγνητικών σπιν σε ένα εφαρμοζόμενο, σταθερό μαγνητικό πεδίο H0.
*Τη διαταραχή αυτής της στοίχισης των πυρηνικών σπιν χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρομαγνητικό παλμό, συνήθως ραδιοφωνικής συχνότητας (RF). Η απαιτούμενη συχνότητα διαταραχής εξαρτάται από το στατικό μαγνητικό πεδίο (H0) και τους πυρήνες της παρατήρησης.

Τα δύο πεδία επιλέγονται, συνήθως, ώστε να είναι κάθετα μεταξύ τους, επειδή αυτό μεγιστοποιεί την ένταση σήματος του NMR. Η τελική απόκριση από τον συνολικό μαγνητισμό (M) των πυρηνικών σπιν είναι το φαινόμενο που χρησιμοποιείται στη φασματοσκοπία NMR και τη μαγνητική τομογραφία. Και οι δύο χρησιμοποιούν έντονα εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία (H0) για να πετύχουν διασπορά και πολύ υψηλή σταθερότητα ώστε να δώσουν φασματική ανάλυση, οι λεπτομέρειες της οποίας περιγράφονται από τις χημικές μετατοπίσεις (chemical shifts), το φαινόμενο Ζέεμαν (Zeeman effect) και τις μετατοπίσεις Νάιτ (Knight shifts) (στα μέταλλα).

Τα φαινόμενα NMR χρησιμοποιούνται επίσης στο NMR χαμηλού πεδίου (low field NMR), στη φασματοσκοπία NMR και MRI για το μαγνητικό πεδίο της γης και σε πολλούς τύπους μαγνητομέτρων.