核磁気共鳴装置

核磁気共鳴装置 (NMR) とは

原子核の共鳴で謎を解く

NMR装置の構造

核磁気共鳴 (NMR) の原理

原子の中には、その原子核が例えば水素原子核のように小さい磁石の性質をもっているものがあります。このような磁石は、ちょうど「こま」のように自転しています。これを磁場の中に入れると、こまの首振り運動と同じようなふるまいをします (図5)。これを核スピンといいます。この首振り運動 (歳差運動といいます) の回転する周期は決まっていて、ちょうどその周期と同じ周波数のラジオ波を外部から加えてやると、共鳴が起こります。共鳴によってエネルギーの吸収が起きますので、この吸収量を電気的にはかることで共鳴が起きたかどうかが分かります。
その電気信号をNMR信号といいます。磁場強度が11.74 T (テスラ) では、水素原子核は約500 MHzで共鳴します。この共鳴周波数は原子核の種類によって異なり、表1のようにいろいろな周波数で共鳴します。

NMRから得られる情報

NMR信号は、同じ水素原子核であっても図6のようにいろいろな信号が現われます。図6はエタノールの信号です。これをNMRスペクトルといいます。ラジオ波は光ではありませんが、やはり電磁波ですから光の場合と同じようにスペクトルと呼び、信号は右側からCH3 (メチル基)、CH2 (メチレン基)、OH (水酸基) に分けられます。
NMRスペクトルは官能基のグループに分かれていますが、これをケミカルシフトといいます。
このケミカルシフトは物質が同じでない場合は違った位置に信号が現れますので指紋と同じです。

• 化学シフト (信号の位置): 原子核の化学構造 (官能基など) に関する情報

• スピンースピン結合 (信号の分裂): 隣接する近傍の原子核との関係に関する情報

• 信号強度 (信号の面積): 原子核の数の比に関する情報

• 緩和時間 : 原子核の動的な情報

NMRの構成

NMR装置の基本的な構成

• 磁石 (永久磁石、電磁石、超伝導磁石があり、磁場が極めて均一で、時間変動のない極めて安定な磁石が必要)

• ラジオ波を発生させる高周波発振器

• 共鳴周波数を与えてまた吸収エネルギーを検出するプローブ (コイル)

• プローブで検出された信号を増幅する増幅器

• これらを制御し、得られたデータを処理するためのコンピュータ

現在のほとんどのNMR装置はパルスフーリエ変換型 (FT)です。発振器から発生したラジオ波をパルス状に印加することでケミカルシフト全域を共鳴させます。またこれを繰り返して信号を足し合わせる積算操作により、感度を向上させます。フーリエ変換はこの場合に時間軸のデータとして得られるNMR信号を周波数軸に変換する数学的な計算処理です。 ケミカルシフトは共鳴周波数のわずか10億分の1といった、ごくわずかな周波数の差しかありません。それを検出するためには、発振器も磁石も極めて安定していることが必要です。

NMRで、できること

NMRで、できる具体的な事例

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