Nukleárna magnetická rezonancia
Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) alebo jadrová magnetická rezonancia (JMR) je fyzikálna metóda, ktorá sa používa na určenie štruktúry chemických látok.[1] NMR využíva magnetické vlastnosti atómových jadier niektorých izotopov.[2] Podobnou metódou je elektrónová paramagnetická rezonancia (EPR), ktorá využíva spin elektrónov.
Dnes sú tradičné metódy NMR spektroskopie nepostrádateľnou pomôckou syntetického chemika pri sledovaní priebehu reakcií a overovaní štruktúry produktov. Špeciálne časovo náročnejšie techniky umožňujú riešiť štruktúry aj veľmi komplikovaných zlúčenín, napr. sekundárne a terciárne štruktúry biopolymérov, a študovať interakcie medzi nimi.[3] Obrovskou výhodou NMR spektroskopie biomolekúl je, že môžeme zisťovať ich trojdimenzionálnu štruktúru za „fyziologických“ podmienok (v roztoku s určitým pH, teplotou, iónovou silou). Pomocou MR tomografie sú dnes už bežne študované tkanivá a orgány v ľudskom tele. NMR spektroskopia našla tiež široké uplatnenie v materiálovej chémii, farmaceutickom priemysle a vo fyzike pevných látok.[4]
Jadrový spin
Z hľadiska NMR môžeme atómové jadrá jednotlivých izotopov rozdeliť na tri skupiny podľa ich hodnoty spinového kvantového čísla (často nazývaného jadrový spin alebo len spin).[5]
Jadrá s nulovým jadrovým spinom (I = 0)
Patria sem jadrá s párnym počtom protónov i neutrónov, ako napr. 12C, 16O, 32S. Tieto jadrá nemajú jadrový magnetický moment a nie sú v NMR spektroskopii pozorovateľné ani nijako neovplyvňujú spektrá iných izotopov.[5]
Jadrá s polovičným jadrovým spinom (I = 1/2)
Tieto jadrá majú jadrový magnetický moment a sú ľahko merateľné. Príkladom je protón, 1H, ktorý má vysoké prírodné zastúpenie a je najbežnejšie meraným jadrom. Uhlík 13C predstavuje ďalšie často merané jadro. Má nižšiu citlivosť a zároveň nízke prírodné zastúpenie (1,11%), takže jeho signály sú zhruba 5700× slabšie ako signály 1H. Ďalšie jadrá so spinom 1/2 sú napríklad 15N, 19F, 31P.[5] Výhodou meraní prvkov 19F a 31P je, že sú to monoizotopické prvky.
Jadrá s jadrovým spinom vyšším než 1/2 (I > 1/2)
Tieto jadrá majú okrem jadrového magnetického momentu aj kvadrupolový moment a sú veľmi často ťažko merateľné. Jadrá s nepárnym nukleónovým číslom (súčet počtu protónov a neutrónov) majú poločíselné spinové kvantové čísla (1/2, 3/2, 5/2…). Jadrá s párnym nukleónovým číslom a nepárnym počtom protónov majú celočíselné spinové kvantové čísla (1, 2, 3…).[5]
Nobelove ceny za NMR
O význame nukleárnej magnetickej rezonancie svedčí aj niekoľko Nobelových cien udelených v tejto oblasti. V roku 1943 získal Nobelovu cenu za fyziku Otto Stern za objav magnetického momentu protónu.[6] V roku 1944 získal Nobelovu cenu za fyziku Isidor Isaac Rabi za jeho rezonančnú metódu na zistenie magnetických vlastností atómových jadier.[7] V roku 1952 získali Nobelovu cenu za fyziku Felix Bloch a Edward Mills Purcell za rozvoj nových metód na presné meranie jadrového magnetizmu a prvú detekciu NMR signálu.[8] V roku 1991 získal Nobelovu cenu za chémiu Richard R. Ernst za jeho príspevok k rozvoju nukleárnej magnetickej rezonancie s vysokým rozlíšením, zavedenie pulzných techník merania a použitia Fourierovej transformácie a zavedenie dvojdimenzionálnych NMR techník.[9] V roku 2002 získal Nobelovu cenu za chémiu Kurt Wüthrich za vývoj NMR ako metódy umožňujúcej určenie trojrozmernej štruktúry biologických makromolekúl v roztoku.[10] V roku 2003 získali Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu Paul C. Lauterbur a Peter Mansfield za vypracovanie metódy zobrazovania magnetickou rezonanciou.[11]