Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia
NMR-spektroskopia eli ydinmagneettinen resonanssispektroskopia tai pelkkä NMR on lähinnä kemiassa käytetty ydinmagneettiseen resonanssiin perustuva yleinen tutkimusmenetelmä, jolla voidaan tutkia molekyylien ominaisuuksia ja tunnistaa tuntemattomia molekyylejä. Molekyylejä sisältävän näytteen mittaus suoritetaan NMR-spektrometrillä, jossa näyte altistetaan vahvalle ja jatkuvalle magneettikentälle, joka nykyisin saadaan aikaan suprajohtein.
Molekyylejä voidaan tutkia NMR:ssä vain jos niissä olevilla mittauksen kohteena olevilla atomiytimillä on spin. Kaikkien alkuaineiden isotooppeilla ei ole spiniä. Vedyn isotoopilla 1 (H) ja hiilen isotoopilla 13 (C) on spin – nämä ovat NMR:ssä useimmin mitattuja ytimiä.
NMR:ssä mitattavat molekyylit usein nestemäisiä tai liuotettu nesteeksi. Tekniikalla voidaan myös mitata kiinteitä aineita. Tosin kiinteiden mittaustekniikat ovat usein haastavampia ja saadut mittaustulokset vaikeatulkintaisempia kuin nesteiden NMR-tutkimuksessa. Kiinteiden NMR-tutkimus on siten nesteiden NMR-tutkimusta harvinaisempaa. Poikkeustapauksissa myös kaasuja voidaan tutkia.
Nykyisten NMR-spektrometrien toimintaperiaate on seuraavanlainen. Molekyyleissä olevat tiettyjen isotooppien atomiytimet alkavat resonoida tai pikemminkin pyöriä (prekessoida) magneettikentässä niille ominaisilla Larmorin taajuuksilla, joka riippuu ydinten spineistä ja kemiallisesta ympäristöstä eli muiden läheisten ydinten ja niiden elektronien ominaisuuksista. Spektrometrin jatkuva magneettikenttä saa ydinten magneettikenttien suuntaa kuvaavat magneettiset momentit asettumaan keskimäärin paikalleen jatkuvan kentän myötäisesti. Mittauksessa nettomagneettimomentit ajetaan pyörintäliikkeeseen, joka ilmenee niiden Larmorin taajuuksilla. Muutos aiheutetaan lyhytkestoisin magneettikentin, joiden muuttuvilla taajuusalueilla on ydinten Larmorin taajuudet. Muuntuvien kenttien lakatessa, kestävät ydinten nettomagneettimomenttien pyörinnät hetken palaten lopulta jatkuvan kentän myötäisiksi. Pyörinnän aikana nettomagneettimomentit mitataan. Saadaan päällekkäisiä taajuuksia sisältävä signaali. Mittaus toistetaan kunnes signaali on kyllin vahva, josta ydinten taajuudet erotetaan Fourierin muunnoksella. Saadaan kuvaaja (NMR-spektri) ydinten ympäristöä kuvastavista Larmorin taajuuksista (ilmaistaan spektrissä ppm-arvoina) ja suhteellisiksi intensiteeteiksi muunnetuista amplitudeista, jotka tilanteesta riippuen kuvastavat ydinten lukumääriä. Spektristä voidaan ehkä päätellä jotakin molekyylin rakenteesta.
Magneettikuvauksen periaatteet ovat samankaltaiset kuin NMR-spektroskopiassa.
Useilla alkeishiukkasilla on spin, muun muassa elektroneilla, u- ja d-kvarkeilla. Spin on eräänlainen pyörimismäärä, joka kuvaa siis hiukkasen "pyörintää" akselinsa ympäri – hiukkaset eivät oikeasti pyöri, mutta ne käyttäytyvät lähes siten kuin ne pyörisivät.
Atomiydinten protonit ja neutronit koostuvat gluonien yhdistämistä u- ja d-kvarkeista. Protonin kvarkkiyhdistelmä on uud ja neutronin udd. U- ja d-kvarkkien spinit ovat ½, mutta kvarkkien spinit ovat arvoiltaan vastakkaiset eli ne sulkevat toisensa osin pois. Protoniin ja neutroniin jää siten ½ kokonaisspin.
Ytimen u- ja d-kvarkkien spinit voivat tosin olla samanarvoisetkin jos ytimellä on hyvin suuri energia. Siten vaikka protonin spin voi olla 3/2, jolloin se on Δ-hiukkanen. Näitä on vain suurienergisissä olosuhteissa joten ne jätetään NMR:ssä huomiotta.
Spinin omaavilla hiukkasilla ja joskus näistä koostuvilla atomiytimillä on myös ominainen magneettikenttä, jonka suuntaa kuvaa vektori, magneettinen momentti μ (J T). µ ja spin pyörimismäärävektori S (J s, vertaa ħ) vektorien välistä suhdetta kuvaa kerroin, gyromagneettinen suhde γ (tässä yhteydessä s T)
formula_1
Jos γ>0, µ- ja S-vektorit ovat hiukkaselle/ytimelle täysin samasuuntaiset. Jos γ<0, µ ja S ovat erisuuntaiset.
Ytimessä voi olla monia neutroneita, joiden määrä on N, ja protoneita, joiden määrä on Z. Näiden ½ spinit voivat pariutua toistensa spinejä pois sulkien ja/tai lisäten. Ytimen kokonaisspin voi siis olla 0, ½ tai ½ monikerta: 1, 3/2 jne. Ydinspinin symboli on I. Eri yhdistelmillä on erilainen potentiaalienergia, joiden energiaeroja kuvataan energiadiagrammeissa energiatasoina. Tasoista pienienergisintä kutsutaan perustilaksi, jossa ydin normaalisti on. Muita kuin perustilan ytimiä ei kuitenkaan tarkastella NMR:ssä.
Perustilan yksityiskohtaisia protonien ja neutronien spinyhdistelmiä ei voi ennustaa yksinkertaisin kaavoin, mutta perustilan ytimen kokonaisspin voidaan (kaavat alla).
Jos N ja Z ovat parilliset, ydin ei näy NMR:ssä, ja sen ydinspin on
formula_2
Edeltävän esimerkkejä: C, O, O, S.
Jos N ja Z ovat parittomat, ydin näkyy NMR:ssä. Ytimessä siis on 2 paritonta spin ½ hiukkasta eli ydinspin on
formula_3Edeltävän esimerkkejä: H (I=1), B (I=3), N (I=1).
Jos N tai Z on parillinen toisen näistä taas ollessa pariton tai nolla, ydin näkyy NMR:ssä. Ytimessä siis on 1 pariton spin ½ hiukkanen eli ydinspin on
formula_4
Edeltävän esimerkkejä: H (I=½), C (I=½), Cl (I=3/2).
NMR-spektrometreissä on vahva magneettikenttä B, joka on ihannetilanteessa laitteeseen asetetun näytteen joka kohdassa likimain yhtä vahva ja samasuuntainen, jolloin samanlaiset ytimet kokevat sen yhtä vahvana. Ilman B-kenttää ydinten µ-vektorit eivät kohdistu mihinkään tiettyyn suuntaan – ne ovat sekaisin. Taas B vallitessa on energiallisesti suotuisaa että µ-vektorit kääntyvät B myötäisesti
formula_5
Edeltävä on skalaarimuodossa. Varsinaisia µ- ja B-vektoreita käytettäessä yhtälö on pistetulo
formula_6
Tilanne on verrattavassa magneettien samamerkkisten napojen hyljintään – toisen magneetin pysyessä paikallaan (spektrometrin B), pyrkii liikkuva magneetti kuten kompassi (ydinten µ) pyörähtämään paikallaan pysyvän magneetin kentän myötäisesti energiansa minimoidakseen.
Yksittäiset ydinten µ-vektorit eivät oikeasti asetu täysin B myötäisesti ja voivat myös muuttaa myös suuntaansa NMR-kokeen aikana. Vaihtelut johtuvat ydinten ja elektronien keskinäisistä erityyppisistä vuorovaikutuksista, jotka muuttavat yksittäisten samanlaistenkin ydinten kokeman B voimakkuutta hieman hetkestä toiseen. NMR-näytteessä ytimiä on kuitenkin valtavia määriä, joten niiden kaikkien µ aikaansaama summa, "nettomagneettimomentti"vektori, on paikallaan ja on B kanssa täysin samasuuntainen.
Koska NMR-aktiivisilla (I>0) ytimillä on niissä aina läsnä oleva pyörimismäärävektori eli spin S, alkavat niiden S-vektorit ja samalla µ-vektorit B vaikuttaessa pyöriä kartiomaisesti eli prekessoida B-vektorin ympäri vaihtelevin kulmin. Tilanne on verrattavissa hyrrään, joka pyörii vakionopeudella. Jos hyrrä on kulmassa pyöriessään, se prekessoi (kuva).
Yksittäisten ydinten S-vektorit voivat olla eri kulmissa prekession alkaessa ja hyvin pieni osa jopa täysin kentän myötäisesti tai vastaisesti, jolloin ne eivät prekessoi. Ytimet kuitenkin muuttavat prekessiokulmiaan NMR-kokeen aikana vaikuttaessaan mm. toistensa kokemiin magneettikenttiin omilla kentillään, joiden suuntia µ-vektorit kuvaavat. Prekessio tai sen kulmavaihtelu ei silti muuta µ-vektorien B myötäisen suuntautumisen suotuisuudesta johtuvan nettomagneettimomentin suuntaa. Yksittäiset ytimet nimittäin prekessoivat eri vaiheissa ja niitä on näytteessä valtavasti.
Ydinten prekessiota kutsutaan Larmorin prekessioksi ja se tapahtuu kulmataajuudella
formula_7
ω etumerkki kertoo prekessiosuunnan. Jos ytimen γ>0, ω on positiivinen ja ytimen S-vektori prekessoi vastapäivään katsojasta, josta B-vektori loittonee poispäin. γ<0 ytimen ω on negatiivinen ja S-vektori prekessoi myötäpäivään.
Elektronien sanotaan "varjostavan" (eng. shield) ympäröimiään atomiytimiä sillä elektronien liike orbitaaleillaan B-kentässä saa ne muodostamaan omia magneettikenttiään. Kenttien ollessa ytimen kohdalla B vastaisia, heikentävät ne ytimen kokemaa kenttää B paikallisesti. Siten ytimet prekessoivat hitaammin eli niiden Larmorin taajuus pienenee. Elektronikenttien ollessa B vastaisia ytimen kohdalla, puhutaan "diamagneettisesta varjostuksesta", jota ilmenee erityisesti pallosymmetrisiä orbitaaleja (s-orbitaali) sisältävillä ytimillä kuten H.
Elektronikenttien ollessa B myötäisiä ytimen kohdalla, puhutaan "paramagneettisesta varjostuksesta", jota ilmenee erityisesti epäsymmetrisiä orbitaaleja sisältävillä raskailla ytimillä kuten C, F ja P. Paramagneettinen varjostus suurentaa ytimen prekessiotaajuutta. Ytimen varjostus on dia- ja paramagneettisen varjostuksen summa.
Molekyylin ydinten varjostukseen vaikuttaa myös niiden läheinen kemiallinen ympäristö. Tämä siirtää erilaisten kemiallisten ryhmien prekessiotaajuuksia niille ominaisille taajuusalueille. Siksi H-ytimet prekessoivat vaikkapa CH- ja CH-ryhmissä eri taajuuksilla. Ilmiötä kutsutaan kemialliseksi siirtymäksi.
NMR-spektrometrissä on johdinkelat, joihin johdetaan tietyn taajuinen vaihtovirta. Yksinkertaisissa mittauksissa virta aiheuttaa näytteeseen vaihtovirran taajuudella muuntuvan magneettikentän B (katso Maxwellin yhtälöt), joka tuotetaan usein 90° kulmaan suhteessa kenttään B. Vain ne ytimet, jotka prekessoivat samalla Larmorin taajuudella kuin kelojen aiheuttama kenttä muuntuu, kääntyvät nopeasti µ-vektoreiltaan samaan tasoon kuin B eli noin 90° kulmaan niiden alkuperäisestä B myötäisestä suunnasta. Yksittäisten ydinten µ ei välttämättä ole täysin samassa tasossa kuin B, mutta niiden nettomagneettimomentti on.
Nettomagneettimomentti alkaa siis pyöriä ympyrää samassa tasossa kuin B vaikuttaa sen sijaan, että se olisi liikkumatta B myötäisesti. Kelojen virransyöttö lopetetaan ja B lakkaa vaikuttamasta. Nettomagneettimomentti eli ydinten aiheuttama muuttuva magneettikenttä jää silti vaikuttamaan hetkeksi ja tuottaa siksi samoihin keloihin vaihtovirran. Muodostuneen vaihtovirran taajuus on verrannollinen ydinten Larmorin taajuuteen, joka on kemiallisille ympäristöille ominainen, ja amplitudi on usein verrannollinen ydinten lukumäärään. Tutkittava aine voidaan siten ehkä tunnistaa mittaamalla sen kaikkien NMR:ssä näkyvien ydinten intensiteetit ja taajuudet.
Käytännössä B taajuutta muutetaan mikrosekuntien aikana laajan taajuusalueen läpi, sähkönsyöttö lopetetaan ja sitten kaikkien alueelle Larmorin taajuuksiltaan osuvien ydinten signaalit mitataan kerralla. Tämä nopeuttaa mittausta merkittävästi suhteessa tilanteeseen, jossa eri Larmorin taajuuksien ytimet mitattaisiin taajuus kerrallaan.
Laajaa taajuusaluetta käytettäessä usealla eri Larmorin taajuudella prekessoivat ytimet reagoivat kenttään lähes yhtäaikaisesti, jolloin niiden nettomagneettimomentit siirtyvät pyörimään samaan tasoon kuin B. Pyörintä kuitenkin ilmenee kunkin ytimen erivillä Larmorin taajuuksilla. Siten mittauksessa saadussa raakasignaalissa (eng. free induction decay, FID) taajuuksiltaan erilaisten ydinten signaalit ovat päällekkäin toisiaan paikoitellen vahvistaen ja heikentäen. Ne voidaan kuitenkin tietokoneen avulla erottaa matemaattisesti Fourierin muunnoksella.
Raakasignaali, jossa ydinten nettomagneettimomenttien aiheuttamat jännitemuutokset (amplitudit) ovat ajan funktiona, muutetaan Fourierin muunnoksella NMR-spektriksi kutsuttuun kuvaajaan. Yksiulotteisessa spektrissä ydinten signaalien eli "piikkien" intensiteetit ovat niiden Larmorin taajuuden funktiona, mutta yksiulotteisen spektrin x-akselin yksikkönä käytetään ppm-arvoja taajuuden sijaan.
On tosin olemassa mm. kaksi-, kolmi- ja neliulotteisia NMR-spektrejä tuottavia menetelmiä, joita kutsutaan vastaavasti 2D, 3D ja 4D NMR-spektroskopiaksi. Näissä ppm-akseleita on useita.
Vietäessä näytteen ytimet B-kenttään, kestää hetki ennen kuin ne kehittävät B myötäisen nettomagnettimomentin maksimin. Nettomagneettimomentin M kehittyminen on logaritmista (käänteisen eksponentiaalista). Taas otettaessa näyte pois B-kentästä, M katoaa näytteestä ajan kuluessa eksponentiaalisesti. Tämä johtuu mm. ydinten omien magneettikenttien vuorovaikutuksista toistensa µ-vektorien suuntautumiseen, jotka lopulta sekoittavat ydinten suuntautumisen aiemmin vaikuttaneen B myötäisesti. Ytimet siis rentoutuvat eli relaksoituvat.
B myötäisen M muodostumiseen ja katoamiseen kuluu tietty aika, joka saadaan laskettua yhtälöllä, johon sijoitetaan T-aikakerroin. M muodostumista/katoamista kutsutaan "pitkittäisrelaksaatioksi" ja joskus "spin-hila-relaksaatioksi" (eng. longitudinal/spin-lattice relaxation). Jälkimmäinen termi on harhaanjohtava erityisesti puhuttaessa kaasujen tai nesteiden T-relaksaatiosta, joilla ei ole kidehilarakennetta. Termi tulee historiallisesta selityksestä relaksaatiolle, jonka teoretisoitiin pohjautuvan ydinspinien ja hilan vuorovaikutukseen.
B kanssa samassa tasossa pyörivän M palatessa B myötäiseksi B lakatessa vaikuttamasta, kuvaa tähän kuluvaa aikaa yhtälö, johon sijoitetaan T-aikakerroin. M muodostumista kutsutaan "pitkittäisrelaksaatioksi" ja joskus "spin-spin-relaksaatioksi" (eng. transverse/spin-spin relaxation). Jälkimmäinen termi on harhaanjohtava, sillä se vihjaa ydinspinien vuorovaikutusten johtavan T-relaksaatioon. Relaksaatio aiheutuu siitä, että ytimet kokevat magneettikentän hieman eri tavoin riippumatta siitä, että vuorovaikuttavatko ytimet keskenään, vai eivät.
Kaikille ytimille pätee T≥T. Mitä suurempi T tai T ytimelle on, sitä pidempi aika relaksaatioon kuluu. Tutkittaessa pieniä molekyylejä sisältäviä nestenäytteitä, T ja T ovat likimain samat. Suurien molekyylien nestenäytteiden kohdalla T on usein paljon pienempi kuin T. T-kerroin on usein muutamia millisekunteja, mutta harvinaissa tapauksissa se voi olla päiviä tai kuukausia.
Yksiulotteisessa NMR-spektrissä ydinten signaalien intensiteetit ovat niiden Larmorin taajuuden funktiona. NMR-spektrometrien magneettikentät B kuitenkin vaihtelevat ja siten myös niissä mitattujen ydinten Larmorin taajuudet. Eri laitteiden NMR-spektrit eivät ole siis suoraan vertailukelpoisia jos spektrin x-akselilla käytetään havaittuja taajuuksia.
Yksiköiden yhtenäistämiseksi NMR-spektrin x-akselilla käytetään Larmorin taajuuden sijaan sovitusti miljoonasosia (ppm), jotka ovat yksiköttömiä eli 123 ppm = 123*10. Jos ytimen signaali on kohdassa 123 ppm, sanotaan 123 ppm olevan ytimen kemiallinen siirtymä.
Ppm käyttämiseksi kutakin havaittua Larmorin taajuutta ν (Hz tai myös rad s) verrataan "standardin" Larmorin taajuuteen ν, aineeseen, jota esimerkiksi nestenäytteissä yleensä lisätään mitattavan näytteen joukkoon pieni määrä (sisäinen standardi). Standardeja on monia ja yksi yleinen standardi on tetrametyylisilaani (TMS). Standardi tulee ilmoittaa samassa yhteydessä kuin spektrikin esitetään sillä ppm-arvot riippuvat standardista. Standardin oma kemiallinen siirtymä δ spektrissä on 0 ppm. δ muille ydinten signaaleille on
formula_8
Edeltävä kaava on kemiallisen siirtymän määritelmä. Kertomalla kaavan tulos arvolla 1*10 saadaan tulos ppm-arvona.
Kun ytimen kokema varjostus
Kemiallisen siirtymän δ määritelmä on kohdassa ppm.
δ johtuvat lähinnä varjostuksesta, jota lisää erityisesti matalaenergisten energiatasojen elektronit. Näiden elektronien määrät kasvavat raskaissa ytimissä, jolloin myös ytimen mahdolliset siirtymät kasvavat. Esimerkiksi kevyen H δ ovat yleensä enimmillään 10 ppm. Hieman raskaamman C δ taas ovat 200 ppm. Hyvin raskaiden ydinten kuten Pb mahdolliset δ voivat olla jo usean tuhannen ppm:n alueella.
Elektronegatiiviset atomit kuten O, Cl ja F vetävät elektroneja molekyylirakenteissa viereisistä ytimistä lisäten niiden kokemaa magneettikenttää ppm-arvoja kasvattaen.
Elektronivirtaukset vaikuttavat myös siirtymiin: aromaattiset renkaat toimivat magneettikentässä johdinsilmukoina ja elektronit alkavat kiertää niissä kehää (ns. rengasvirtaus) luoden renkaalle oman donitsimaisen kentän. Renkaan ulkopuolella ydinten kokema kenttä kasvaa (indusoitu kenttä on B myötäisesti) ja niiden ppm kasvaa. Renkaan sisällä koettu kenttä heikkenee (indusoitu kenttä on B vastaisesti).
Isotrooppinen siirtymä on keskimääräinen δ, joka johtuu molekyylien nopeasta liikkeestä. Esimerkiksi kemiallisen ryhmän muuntuessa kyllin nopeasti muodosta A muotoon B tasapainoreaktiossa A⇌B, on havaittu δ näiden keskimääräinen δ, vaikkei minkään tasapainossa olevan muodon δ oikeasti vastaisikaan havaittua keskimääräistä ppm-arvoa. Isotrooppiset siirtymät voivat olla erilaiset kiinteissä ja nesteissä.
Viereiset isotoopit vaikuttavat ppm-arvoihin: CHCHOH ja CHCHOH siirtymät CH-ryhmän H-ytimille ovat hieman erilaiset. Tämä on "toissijainen isotooppisiirtymä" (ensisijainen koskee esimerkiksi eroa H ja H omien siirtymien välillä H-spektrissä).
Kunkin NMR-aktiivisen ytimen δ ovat usein vain tietyillä ppm-arvojen alueilla. Siten siirtymien ppm-arvoja voidaan listata taulukoihin, joita kutsutaan usein "kemiallisen siirtymän korrelaatiotaulukoiksi" (eng. correlation tables). Kukin taulukko pätee vain tietylle standardille (katso ppm) ja osin myös liuottimelle. Taulukoiden avulla voidaan siten tulkita jonkin molekyylin NMR-spektrissä havaittavat piikit mikäli molekyylin spektri on mitattu samoissa oloissa kuin taulukonkin arvot on esitetty. Tällaista taulukkoa käyttäen tuntemattoman molekyylin rakenne voidaan ehkä päätellä.
H-spektreissä δ ovat tavanomaisilla kemiallisilla ryhmillä usein alueella 10–0 ppm. Esimerkiksi TMS standardia käytettäessä RC(O)H eli aldehydin vahvennetun vedyn signaali näkyy H-spektrissä usein alueella 9.5–1.5 ppm. Jos tällä alueella näkyy signaali tuntemattoman molekyylin H-spektrissä, voidaan aineen ehkä päätellä olevan aldehydi.
C-spektreissä δ siirtymät ovat usein 200–0 ppm. Esimerkiksi RC(O)H näkyy usein alueella 200–190 ppm.
On myös kehitetty kokeellisesti määritettyjä kaavoja, kuten osin yleispätevä Shooleryn sääntö X-CH-Y molekyyleille. X ja Y ovat ryhmiä, joilla on vastaavasti taulukoihin listatut vakiot Δ ja Δ kaavassa
formula_9
Magneettikenttä B jakaa NMR-aktiivisen ytimen perustilan (katso ydinspin) useampaan Zeeman-tilaan, joiden energiat ovat eri. Ilmiötä kutsutaan ydinten Zeeman-jakautumiseksi, johon liittyy läheisesti elektronien energiatasojen jakautumisesta johtuva Zeemanin ilmiö. Zeeman-tiloja ei tule sekoittaa ydinten energiatasoihin. Zeeman-tilojen lukumäärä on
formula_10
H, C ja muiden I=½ ydinten Zeeman-tilojen määrä on siten 2 (2*(½)+1). Näistä toinen tila on +½ eli α ja -½ eli β. Tiloja on yli 2 jos I>½. Näiden ydinten sanotaan olevan kvadrupolisia (eng. quadrupolar). Esimerkiksi Al I=5/2, joten sillä on 6 Zeeman-tilaa (2*(5/2)+1), jotka ovat -5/2, -3/2, -½, ½, 3/2, ja 5/2. N I=1, joten sillä on 3 Zeeman-tilaa, jotka ovat -1, 0 ja 1.
Zeeman-tilojen välillä vallitsevat yhtä suuret energiaerot, jotka kasvavat lineaarisesti B voimistuessa. Eroja eri ole, mikäli ytimet eivät koe B-kenttää. Tilojen energiaerot suhteessa perustilaan ovat
formula_11
Siten esimerkiksi +½ eli α Zeeman-tila on matalaenergisempi kuin -½ eli β. Tilat vaikuttavat heikosti ydinten varjostukseen, ja täten niiden prekessiotaajuuksiin ja NMR-spektrien ppm-arvoihin. Esimerkiksi H-ytimen ollessa α-tilassa, sen ppm kasvaa suhteessa β-tilaan.
Eri Zeeman-tiloissa olevat atomiytimet vuorovaikuttaa merkittävästi toisiinsa kovalenttisten sidoselektronien välityksellä mikäli ydinten välillä ei ole liian montaa sidosta. Tätä kutsutaan "J-kytkeytymiseksi" (eng. J-coupling) tai spin-spin-kytkeytymiseksi ja se aiheuttaa ydinten signaalien jakautumista spektrissä tietyin välimatkoin, joita kutsutaan kytkeytymisvakioiksi (symboli J). J on taajuuden yksiköinä – usein hertseinä (Hz). Arvo voi olla positiivinen tai negatiivinen. Taajuudet ovat vakioita, eikä magneettikentän vahvuus vaikuta niihin.
J-kytkeytymisen aiheuttama signaalien jakautuminen voi kertoa tärkeää tietoa tutkitun molekyylin erilaisten ydinten läheisistä kemiallisista ympäristöistä. Tämä helpottaa tuntemattoman molekyylin tunnistusta.
Kun ydin on kytkeytynyt n kemiallisen sidoksen päästä toiseen ytimeen, on kytkeytymisvakion symboli J. Ydinten kytkeytyminen voi tapahtua
J taajuudet ovat usein J > J > J, eli yhden sidoksen välinen kytkeytyminen on voimakkainta.
Visinaalista kauaskantoisempaa kytkeytymistä ei usein havaita esimerkiksi H NMR-spektreissä. Kaksois- ja kolmoissidokset kuitenkin usein helpottavat elektronivälitteisen kytkeytymisen siirtymistä pidemmälle elektronidelokalisaation kautta.
Kun 2 H-ydintä on kytkeytynyt toisiinsa visinaalisesti, on symboli J. Jos isotoopit ovat samoja, kytkeytyminen on "homonukleaarista". Jos ne ovat eri, kytkeytyminen on "heteronukleaarista".
J-kytkeytymistä selittävistä mekanismeista yksi on "Fermin kontaktimekanismi" (eng. Fermi contact mechanism). Tämä on suurin selittävä tekijä kytkeytymisvakioiden positiivisille tai negatiivisille etumerkeille, joissa H-ytimet ovat osana. Mekanismin yksinkertaistus on alla.
J-kytkeytymisvakiot H ja C välillä ovat "aina" positiivisia. Nämä ytimet voivat olla vastakkaisissa Zeeman-tiloissa ±½. Sidoksessa H-C on 2 sidoselektronia, joista kullakin voi olla tila ±½. Oletetaan että H on magneettikentän B myötäisesti, eli +½ tilassa. H-ytimen spin "kääntää" eli polaroi molekyyliorbitaalissa läheisemmän sidoselektronin spinin vastakkaisesti tilaan -½ Paulin kieltosäännön mukaisesti. Siten spinit voivat olla samalla avaruusalueella. Ydin ja elektroni ovat "kontaktissa". Kieltosäännön mukaisesti toisen sidoselektronin σ-sidosorbitaalissa tulee polaroitua tilaan +½. Tilan +½ elektroni polaroi C spinin tilaan -½. Siten H ja C spinit ovat kytkeytyneet vastakkaisesti (kuva, rakenne 1). Kytkeytyneiden ydinten spinien ollessa vastakkaiset, ovat kytkeytymisvakiot positiivisia. Jos H-C sidoksessa H ja C spinit olisivat samasuuntaiset, olisi yhdistelmä suurienerginen ja siten epäsuotuisa (kuva, rakenne 2). Kontaktimekanismista erillisenä on myös toinen vaikutus: ydinten magneettiset momentit ovat vastakkaiset, sillä molempien ydinten γSpin ja magneettinen momentti). Ydinten magneettikentät ovat siis toistensa myötäiset, ja myös tämä on energiallisesti suotuisa vuorovaikutus.
J-kytkeytymisvakiot ovat usein negatiivisia sidoksessa H-C-H, jossa on ytimet H ja C tai C. +½ H polaroi läheisen sidoselektronin tilaan -½, elektroni polaroi C läheisen elektronin tilaan +½. C-ytimen sidoksiin luovuttamat 2 elektronia ovat samaenergisillä sidosorbitaaleillaan Hundin säännön mukaisesti samasuuntaiset. Siten C-H välinen C:n läheinen elektroni on myös tilassa +½. Tämä elektroni polaroi H läheisen elektronin tilaan -½. H polaroituu tilaan +½. Ydinten spinit ovat samasuuntaiset ja kytkeytymisvakiot ovat "yleensä" negatiiviset. Tilanne ei muutu vaikka H-C-H sidoksessa olisi C. Sen spin olisi polaroitunut tilaan -½. J metaanissa on -12.4 Hz, mutta (HC)C=CH kaksoissidoksen päässä se on +2.5 Hz. Kontaktimekanismi ei siis ole ainoa J-vakioihin vaikuttava tekijä, vaikka se on osin yleispätevä selitys H välisten kytkeytymisten kohdalla.
J-kytkeytymisvakiot ovat usein positiivisia H-C-C-H sidoksissa. Edellä kuvattujen periaatteiden mukaisesti +½ H polaroi H-C sidoselektronit tiloihin -½ ja +½ vastaavasti. C-C sidoselektronit ovat tiloissa +½ ja -½ vastaavasti. C-H sidoselektronit ovat tiloissa -½ ja +½ vastaavasti. H polaroituu teoriassa tilaan -½, ja H ja H spinit ovat vastakkaiset (kuva, rakenne 3).
γ<0 ydinten kohdalla edeltävät yleistykset voivat muuttua päinvastaisiksi. J-vakioiden suuruuteen vaikuttavat suoraan myös C-ydinten s- ja p-orbitaaliluonne. Vakiot muuttuvat positiivisemmiksi mitä enemmän kytkeytyneillä ytimillä s-luonnetta. S-orbitaalit välittävät kontaktimekanismin kautta ydinspin tiedon helpommin eteenpäin kuin p-orbitaalit. Yksöissidoksissa kuten etaanissa hiilten hybridiorbitaalien s-luonne on pieni (25%) ja positiivinen J on pienempi (125 Hz), kuin etyynissä, jossa s-luonne on 50% ja J on suuri (249 Hz). γ ja s lisäksi J-vakioihin vaikuttavat konformaatioiden kiertokulmat. Tätä vaikutusta kuvaa Karplus-yhtälö.
Yhden tai usean samanlaisen ytimen signaali voi jakautua NMR-spektrissä useiksi piikeiksi, joita erottavat kytkeytymisvakiot. Jakautumatonta piikkiä tai jakautunutta piikkikokonaisuutta kutsutaan "multipletiksi" ja piikkien lukumäärää signaalissa sen "multiplisiteetiksi". Jos signaali ei ole jakautunut on multipletti singletti. Jos multipletissä on 2 piikkiä, jotka ovat yhtä intensiiviset eli niiden intensiteettisuhde on 1:1, on multipletti dupletti, ja sen multiplisiteetti 2. H ja muiden I=½ ytimien spektreissä nähtäviä multiplettejä on alla taulukossa.
H ja muiden I=½ ydinten kytkeytymisessä yksittäisen multipletin intensiteettisuhteet voidaan muistaa Pascalin kolmion avulla.
Multiplettien muodostuminen johtuu erilaisten Zeeman-tilojen J-kytkeytymisestä. Esimerkiksi etanolin CH-ryhmän H-ytimiin kytkeytyvät visinaalisesti CH-ryhmän H-ytimet. Kunkin H-ytimen Zeeman-tila voi olla +½ eli α tai -½ eli β. Etanolin CH-ryhmän kohdalla kytkeytymisyhdistelmiä on 4: ββ, αβ, βα ja αα. Yhdistelmistä suurienergisin on ββ. Siten sen varjostus on suurin eli sen taajuus ja ppm on pienin. αα on pienienergisin. Sen varjostus on pienin eli sen taajuus ja ppm on suurin. αβ ja βα ovat samaenergiset. Siten niiden ppm-arvot ovat yhtä suuret. Yhdistelmät ovat likimain yhtä todennäköisiä ja signaaleja antavia ytimiä on näytteessä suuria määriä. Siksi CH H-ytimet muodostavat 1:2:1 intensiteettisuhteisen tripletin H NMR-spektriin (kuva).
H-spektreissä ei usein nähdä J-kytkeytymistä hapen kautta, eli etanolissa OH-ryhmän H jää kytkeytymättä ja näkyy singlettinä. Normaalisti piikki on kuitenkin leventynyt mikäli etanoli ei ole hyvin puhdasta. Myös CH H-ytimet jäävät kytkeytymättä OH H kanssa, mutta kytkeytyvät CH H-ydinten kanssa muodostaen kvartetin. Kvartetin muodostuminen voidaan perustella kuten tripletti, eli Zeeman-tilayhdistelmien kautta. Kussakin yhdistelmässä on tällöin kytkeytyneenä 3 Zeeman-tilaa: (βββ), (αββ) jne.
Etanolin multipleteissä olevien piikkien väliset ppm-erot ovat likimain samat koska ne muodostavien ydinten J kytkeytymisvakiot ovat suunnilleen samat. Mikäli multipletin muodostavien ydinten kytkeytymisvakiot J eivät kuitenkaan ole likimain yhtä suuret, voi muodostua monimutkaisempia multiplettejä (kuva alla). Jos yksinkertaisen multipletin J-vakioiden välillä on vain hyvin pieni ero, voi tämä ero näkyä monimutkaisena multiplettinä tyypillisen NMR-spektrometrin magneettikenttää vahvemmassa kentässä.
Multipletin rakenne voidaan esittää kytkeytymisvakiopuuna (kuva).
H NMR-spektreissä eli protonispektreissä orgaanisten yhdisteiden H-ydinten visinaalista J-kytkeytymistä (H-C-C-H) havaitaan lähes aina.
Taas H J-kytkeytymistä sitä sitovaan hiileen (H-C) ei tavallisesti nähdä spektreissä sillä hiilen isotoopeista luonnossa noin 99% on C-isotooppeja. C I=0, eli se ei näy NMR:ssä. Toinen hiilen vakaan isotoopin I=½ eli se näkyy NMR:ssä. H ja C välillä tapahtuu kytkeytymistä, mutta C yleisyys on noin 1%, eli se on harvinainen. Kytkeytyminen on siten niin heikkoa, ettei sitä yleensä nähdä.
H-ydinten välistä geminaalista kytkeytymistä (H-C-H) ei usein nähdä spektreissä koska niissä olevat hiilten väliset yksöissidokset yleensä kiertävät huoneenlämmössä nopeasti ympäri (katso konformaatio). Tällöin geminaaliset vedyt ovat kemiallisilta ympäristöiltään keskimäärin samanlaiset. Kiertymisen vähentyessä esimerkiksi näytettä viilentämällä tai kiertymisen muuten estyessä geminaalista kytkeytymistä saatetaan havaita spektrissä. Kiertyminen estyy esimerkiksi steerisistä syistä.
Kaikki kemialliset ryhmät eivät aina tuota selkeitä piikkejä, vaan piikit ovat leventyneitä ja niiden intensiteetti on heikko. Leventymistä nähdään niiden H-ydinten kohdalla, jotka ovat sitoutuneet muun muassa happiin ja typpiin. Esimerkkejä: alkoholit, karboksyylihapot, fenolit, amiinit, amidit ja imidit. Näissä olevat H-ytimet voivat vaihtua molekyylin näistä kemiallisista ryhmistä toiseen ja vaihtua myös deuteroidun liuottimen deuteriumin kanssa, jollaisia käytetään yleisesti NMR:ssä. Tätä tapahtuu lähinnä poolisten liuottimien kuten DO kohdalla. Näytteeseen epäpuhtauksina jääneet hapot tai emäkset katalysoivat H siirtymistä. Visinaalista kytkeytymistä ei myöskään yleensä havaita mm. typpien ja happien kautta, sillä nopea H siirtyminen estää Zeeman-tilojen tiedon välittymisen ytimeltä toiselle (katso mekanismi).
Puhdistamalla näyte H siirtymistä edesauttavista epäpuhtauksista ja/tai laskemalla lämpötilaa, voidaan piikkien leventymistä vähentää ja kytkeytymistä mm. happien kautta saatetaan havaita. Lisäksi näytteen viilentäminen hidastaa tai voi estää konformeerien muuttumisen toisiksi. Esimerkiksi viilentämällä sykloheksaania noin -89 °C lämpötilaan, estyy sen rengaskäännös, jolloin aksiaaliset ja ekvatoriaaliset H näkyvät spektrissä kahtena piikkinä yhden keskimääräisen piikin sijaan.
H visinaaliseen kytkeytymiseen pätee usein (muttei aina) n+1 -sääntö, jossa n on tarkastellusta vedystä kolmen sidoksen päässä olevien vetyjen lukumäärä. Esimerkiksi etanolin kohdalla
Orgaanisten yhdisteiden C NMR-spektreissä näkyy J-kytkeytymistä toisiinsa suoraan sitoutuneiden H- ja C-ydinten välillä.
C välistä suoraa, geminaalista tai muuta kytkeytymistä ei havaita C isotoopin harvinaisuuden takia. On siis tilastollisesti epätodennäköistä että signaalin antavan C-ytimen vieressä (tai muualla läheisyydessä) olisi toinen C, jonka kanssa ydin kytkeytyisi ja täten signaali jakautuisi multipletiksi. Ytimen vieressä on todennäköisemmin C, jonka I=0, eli ydin ei näy NMR:ssä eikä C voi myöskään kytkeytyä sen kanssa. C NMR-spektreissä C välistä kytkeytymistä tapahtuu, mutta se on niin vähäistä että signaaleita ei nähdä spektreissä. Kytkeytyminen tosin muuttuu havaittavaksi jos näytemolekyylit tarkoituksellisesti tehty pääosin C-ytimistä eli rikastettu niillä.
"Irrottaminen" (eng. decoupling) tarkoittaa tiettyjen J-kytkeytymisten poistamista. C NMR-spektristä voidaan poistaa H kytkeytymiset, jolloin C-signaalit näkyvät orgaanisten yhdisteiden spektreissä singletteinä muiden multiplettien sijaan. C-spektriä, josta on irrotettu H-ytimet, kutsutaan C{H} NMR-spektriksi. Nimeämiskäytäntö pätee muihinkin spektreihin: C{H, F}, P{H} jne.
Irrottamisen pyrkimyksenä on usein yksinkertaistaa muuten monimutkaisia spektrejä. Tämä helpottaa spektrien tulkintaa.
Signaalin saantiin käytetyn magneettikentän B lisäksi yksinkertaisimmissa "kaksoisresonanssi"-irrottamismenetelmissä näytteeseen kohdistetaan toinen kenttä, B, jonka avulla irrottaminen tapahtuu.
Yleensä NMR-spektrissä kunkin multipletin pinta-alat lasketaan integroimalla tietokoneella ja ilmoitetaan spektrissä jollain tapaa. Usein pinta-alat ovat likimain verrannollisia multipletin antamien ydinten suhteelliseen lukumäärään ja spektrin voidaan sanoa olevan kvantitatiivinen. Määrät ovat "suhteellisia" ja siksi esimerkiksi dietyylieetterin H-spektrissä CH-signaalin pinta-ala on noin 1.5 ja CH:n ~1. Etanolin H-spektrissä CH:n pinta-ala on noin 3, CH:n ~2 ja OH:n ~1.
Pinta-alat eivät silti aina kerro ydinten lukumääristä muun muassa ytimen Overhauser-ilmiön takia (eng. nuclear Overhauser effect, NOE). NOE voi voimistaa tai heikentää piikkien intensiteettejä suhteessa niiden odotettuun intensiteettiin. Ilmiötä havaitaan C-spektreissä, muttei juurikaan H spektreissä. Tämä johtuu eri C-ydinten hyvin eriävistä relaksaatioajoista suhteessa H-ytimiin. Tämän vuoksi integrointia ei juurikaan käytetä C-spektrien käsittelyssä.
NMR-spektrometrit koostuvat useista kuorista. Laitteen keskellä on sen pystysuunnassa läpäisevä ontto putki.
Putkea ympäröivässä sisimmässä kuoressa on noin -269 °C heliumnestettä, johon on upotettu sisäputken ympärille solenoidiksi kierretty suprajohde. Johteessa kiertävä tasavirta tekee siitä sähkömagneetin, joka aiheuttaa laitteen sisä- ja ulkopuolelle voimakkaan magneettikentän B. Solenoidi menettää suprajohtavuuden jos helium ei jäähdytä sitä. Toimintavalmiissa NMR-laitteen käämissä kiertää siis sähkövirta lähes loputtomiin ilman ulkoista sähkönsyöttöä. Useimmissa laitteissa heliumia on 40–100 litraa.
B vahvuus on usein 4–20 T, mutta voi olla jopa 32 T. Mitä vahvempi kenttä on, sitä nopeammin ydinsignaalit saadaan erottumaan kohinasta (katso mittaus), sillä mitattujen signaalien intensiteetti on likimain verrannollinen B neliöön.
Heliumkuori on eristetty sitä ulommasta kuoresta ja laitteen sisimmästä putkesta tyhjiöllä, jotta heliumiin ei pääse johtumalla lämpöä. Eristeittä helium kiehuisi pian pois. Tyhjiötä ympäröivässä kuoressa on noin -196 °C typpinestettä. Tämäkin kuori on eristetty ulkopuolelta tyhjiöin.
Osa NMR-spektrometristä on verrattavissa termospulloon, jossa eristeiden ja kylmänesteiden avulla suprajohde pidetään alle sen suprajohtavuuslämpötilan.
Helium ja typpi haihtuvat hitaasti ja laitteen yllä on siksi varoventtiilit. Nämä päästävät ylimääräisen kaasun pois. Joskus laitteiden oheen on rakennettu niistä erillinen järjestelmä, jolla uusiutumaton helium kerätään ja kierrätetään taas nesteeksi. Yllä on myös täyttöaukot kylmänesteille. Haihtumisen takia säiliöihin lisätään lisää typpeä tavallisesti viikon ja heliumia 5-6 kuukauden välein.
Sisimpään putkeen on asetettu laitteen pohjasta tutkittavalle ytimelle ja sen tutkimusmenetelmälle sopiva "ilmaisin" (eng. probe). Ilmaisin on usein vaihdettavissa ja siinä on ainakin yhdet vastakkaiset ja toisiinsa johtimin kytketyt käämiparit, joiden väliin näyte asetetaan spektrometrin yläosasta.
Nestenäytteitä sisältäviä lasiputkia yleensä pyöritetään mittauksen aikana pystysuuntaisesti ilmaisimessa noin 10–100 Hz taajuudella. Magneettikenttä ei ole näytteen kohdalla täysin tasalaatuinen, joten pyöritys parantaa näytteestä saatavien signaalien erottumista toisistaan sillä niiden leveneminen spektrissä vähenee.
H-spektriä mitattaessa nestenäytettä voidaan tarvita jopa alle 1 µg ja C-spektrin kohdalla muutama milligramma. Hyvillä laitteilla vaaditut määrät voivat vastaavasti olla muutamia nano- ja mikrogrammoja. Näyte on liuotettuna sopivaan deuteroituun liuottimeen kuten CDCl, CDOD tai DMSO-d. Näiden H-signaalit eivät häiritse H-mittausta.
Kiinteiden aineiden mittauksessa käytetään usein MAS NMR-spektroskopiaa (eng. magic angle spinning), jossa näyte asetetaan mittauksen ajaksi maagiseen kulmaan 54.74° (≈ arc cos √2) pyörimään jopa 70 kHz taajuudella. Kiinteissä ydinten ja elektronien vuorovaikutukset ovat paljon vahvempia ja moninaisempia kuin nesteissä ja MAS käyttäminen vähentää niitä. Vuorovaikutukset mm. leventävät spektripiikkejä.
Näytte mitataan usein sen ollessa huonelämpötilassa, mutta sen lämpötilaa voidaan sopivin laittein myös muuttaa.
NMR-spektrometrin magneettikentän B voimakkuus muuttuu aikaa myöden. Tätä ilmenee mittauksen aikana, jolloin spektrin signaalit levenevät. Signaalien erottumisen parantamiseksi B "lukitaan" (eng. locking). Nestenäytteiden kohdalla lukitseminen suoritetaan usein siten, että näytteessä olevan deuteroidun liuottimen H-signaalia mitataan jatkuvasti ja verrataan laitteessa olevassa oskillaattorissa tuotettuun vakiotaajuuteen. Näiden taajuudet muutetaan ennen mittausta puoliautomaattisesti samoiksi eli lukitaan. Kun B muuttuu mittausten aikana, muuttaa laitteisto automaattisesti takaisinkytkennän avulla näytteeseen kohdistuvaa kokonaiskenttää toisen magneettikentän tuottavin keloin siten, että kokonaiskenttä B pysyy samana. Lukkosysteemi on tietyssä mielessä jatkuva NMR-mittaus, joka suoritetaan samanaikaisesti varsinaisen mittauksen ohella.
Lukkosignaalin ydin ei voi olla sama kuin mitattava ydin. Deuteriumsignaalia käytetään H sijaan koska H-signaaleita muutetaan mittauksen aikana. Kiinteiden näytteiden mittauksessa lukkosignaalin antava signaali on usein ulkoinen eli se ei ole kiinteän näytteen joukossa.
Magneettikenttä B ei ole kaikissa näytteen kohdissa täysin tasalaatuinen eli kemiallisilta ympäristöiltään samanlaiset ytimet kokevat sen eri vahvuisina. Siten niiden Larmorin taajuudet ja ppm-arvot ovat eri. Pienetkin eriävyydet kentässä leventävät spektripiikkejä ja aiheuttavat sivupiikkejä (eng. spinning sidebands).
Kentän eriävyydet johtuvat monista seikoista kuten NMR-spektrometrin valmistuksessa siihen jääneistä epätasalaatuisuuksista ja mitattavasta näytteestä. Täysin tasalaatuista kenttää ei ole mahdollista tuottaa teknisistä syistä, mutta sitä voidaan pyrkiä tasalaatuistamaan.
Ilmaisinta ympäröivät useat toisistaan erilliset shimmauskelat. Kelojen ympärille luodaan magneettikenttiä johtamalla niihin tasavirtoja, joiden jännitteen säätöä kutsutaan "shimmaukseksi" (eng. shimming). Shimmauksella pyritään heikentämään tai vahvistamaan B-kenttää paikoitellen tarpeen mukaan, jotta se saadaan kyllin tasalaatuiseksi näytteen kohdalta. Shimmauskelat ovat usein magneetissa ja ne ovat resistiivisiä. Suprajohtavia shimmauskeloja voi olla myös sisäänrakennettu nesteheliumsäiliöön.
Shimmaus suoritetaan puoliautomaattisesti ja kokeilemalla toistuvasti kunnes kyllin tasalaatuinen kenttä on saavutettu. Shimmaus tehdään aina kunkin näytteen kohdalla erikseen ennen sen varsinaista mittausta sillä näytteiden ja näyteputkien eriävät magneettiset ominaisuudet muuttavat B-kenttää näytteen kohdalta.
Shimmaus tulee englanninkielen sanasta shim. Sanalla tarkoitettiin diamagneettisia metallipaloja, joita siirtelemällä tasalaatuistettin varhaisten NMR-spektrometrien magneettikenttiä.
Ilmaisimen käämeihin tulee duplekserin kautta lyhytkestoinen ja taajuudeltaan ja muuttuva vaihtovirtapulssi. Tämä aiheuttaa NMR-signaalin muodostumiseen johtavan muuttuvan B magneettikentän. Käämiparin välissä on niiden "virittämiseen" (eng. tuning) käytetty kondensaattori, jolla on kapasitanssi C (faradi). Käämeillä on induktanssi L (henry). Käämit on rakennettu siten, että ne toimivat oskillaattoripiirinä kulmataajuudella ω (rad s)
formula_12
C säädetään puoliautomaattisesti siten, että oskillaattoripiiri vastaa likimain duplekserilta tulevan sähkösignaalin kulmataajuutta ω eli ω ≈ ω. Tätä kutsutaan "virittämiseksi" ja se tehdään aina mitattavaa näytettä vaihdettaessa. Oskillaattoripiiri vahvistaa duplekserilta tulevan taajuuden amplitudia ja voimistaa siten käämien tuottamaa ytimiin kohdistuvaa B-kenttää. Virransyötön loppuessa B lakkaa ja käämeihin ytimiltä tuleva niiden Larmorin kulmataajuuksista koostuva signaali vastavuoroisesti voimistuu piirissä, jonka taajuus vastaa likimain myös ydinsignaalien taajuuksia. Täten näytteestä tuleva heikko signaali vahvistuu.
Oskillaattoripiiriin vievässä johtimessa duplekserin jälkeen on myös "sovittamiseen" (eng. matching) käytetty kondensaattori, jonka kapasitanssi on C. Kapasitanssia säädetään, jotta käämeiltä näytteeseen tuleva ja näytteestä sitten käämeille tulevan sähkösignaalin energia saadaan maksimoitua.
Mitattavalle ytimelle ja spektrometrin ilmaisimelle valitaan sopiva pulssiohjelma. Tämä on NMR-laitteistoon kytkettyyn tietokoneeseen asennetun NMR-tietokoneohjelman tulkitsema koodinpätkä, jossa olevia arvoja eli parametrejä määritetään halutusti. Valmisteluiden (mm. lukitseminen, shimmaus, virittäminen ja sovittaminen) jälkeen ydinten resonanssi mitataan pulssiohjelman ja sen parametrien määrittämällä tavalla. Vaihtovirtapulssi(t) kulkee (kulkevat) kaapelistoa pitkin vahvistimien kautta duplekserille. Ytimet antavat analogisen signaalin, joka kulkee duplekserista toiseen kaapelistoon ja siinä oleviin vahvistimiin. Näistä signaali kulkee lopulta A/D-muuntimille. Näissä digitoitu signaali tallennetaan tietokoneelle. Mittaus toistetaan useasti, jotta heikoista ja ei-satunnaisista ydinsignaaleista saadaan vähennettyä satunnaista kohinaa. Kohina on lähtöisin lähinnä ilmaisimen käämien elektronien lämpöliikkeestä ja osin näytteen varautuneiden hiukkasten kuten ionien lämpöliikkeestä. Lopuksi digitoitu raakasignaali muutetaan NMR-spektriksi Fourierin muunnoksella. Muitakin matemaattisia muutoksia usein tehdään.
Toistuvien mittausten takia koko mittaus voi kestää jopa päiviä riippuen mm. mitatusta ytimestä, molekyylistä, näytepitoisuudesta ja käytetyistä mittausmenetelmistä. H mittaus vie harvoin yli tunnin. C mittauksia tulee C harvinaisuuden takia toistaa useammin kuin H-ydinten kohdalla, jolloin mittaus voi kestää useita tunteja. Mittausten välissä tulee odottaa, jotta ytimet ehtivät T-relaksoitua (katso relaksaatio). H kohdalla mittaus voidaan usein toistaa 4 sekunnin välein.
Toimintavalmiin NMR-spektrometrin ympärillä on aina magneettikenttä. Siksi kyllin lähellä laitetta sydämentahdistimet tai muut elektroniset implantit voivat häiriintyä. Ferromagneettiset implantit voivat vetäytyä kohti laitetta vahingoittaen tai tappaen henkilön, jolla niitä on. Ferromagneettiset esineet voivat lentää kohti laitetta tai vetää niitä pukevan henkilön kohti laitetta. Muuttuva magneettikenttä voi myös kuumentaa näitä esineitä aiheuttamalla niihin pyörrevirtoja. USB-tikuissa, maksukorttien magneettiraidoissa ja muissa tallennuslaitteissa olevat tiedot voivat tuhoutua lähellä kenttää. Magneettikenttä ei silti itsessään ole vaarallinen ihmisille.
Suprajohteen varaus voi purkautua, jolloin sen magneettinen energia muuntuu lämmöksi. Tämä kuumentaa johteen saaden siten heliumin ja typen kiehumaan nopeasti kaasuksi. Ilmiön nimi on englanniksi "quench". Kaasu purkautuu laitteesta ulos ja täyttää NMR-mittaushuoneen syrjäyttäen ilman happea. Huoneesta on poistuttava heti sillä kaasu voi tukehduttaa huoneessa olijat. Huoneessa on myös hyvä olla kunnon ilmanvaihto. Suprajohteen purkautuminen voi olla vahinko tai tarkoituksellinen teko. Jälkimmäisessä pyrkimyksenä on esimerkiksi vapauttaa ferromagneettisen kappaleen ja magneetin väliin jäänyt henkilö.
Nestetyppi ja -helium voivat aiheuttaa vakavia paleltumia – erityisesti spektrometrin jälleentäytössä.