Wat is nucleaire magnetische resonantie?
Alle magnetische kernen bezitten een eigenschap die nucleaire magnetische resonantie of NMR wordt genoemd, wanneer ze zich in een magnetisch veld bevinden en wanneer aan bepaalde andere voorwaarden wordt voldaan. Een reeks verschillende soorten technologie is ontwikkeld volgens deze principes. Deze omvatten verschillende soorten medische beeldvorming en spectroscopie.
Nucleaire magnetische resonantie hangt af van het feit dat wanneer een oscillerende elektromagnetische puls wordt toegepast op kernen in een magnetisch veld, individuele kernen energie absorberen en vervolgens die energie vrijgeven in specifieke patronen. Het patroon van energieabsorptie en -afgifte hangt af van de sterkte van het magnetische veld en van bepaalde andere variabelen. Door deze patronen te onderzoeken, kunnen fysici kwantummechanische eigenschappen van atoomkernen onderzoeken. Chemici kunnen de NMR-technologie gebruiken om de chemische en structurele samenstelling van monsters te onderzoeken, en in de geneeskunde vormt nucleaire magnetische resonantietechnologie de basis van een vaak gebruikt type medische beeldvormingsapparatuur.
Alle NMR-technologie is ook afhankelijk van een eigenschap die spin wordt genoemd . Bij het bepalen of een bepaalde atoomkernen spin hebben, wordt het aantal nucleonen in het atoom geteld. Het nucleon is de verzamelnaam voor protonen en neutronen. Als het aantal protonen en neutronen in een kern een oneven aantal is, is de hoeveelheid spin die de kernen hebben groter dan nul. Men zegt daarom dat die kern de eigenschap van spin bezit. Elke kern die spin bezit, kan worden onderzocht met behulp van NMR-technologie.
Bij nucleaire magnetische resonantiespectroscopie wordt een machine genaamd een nucleaire magnetische resonantiespectrometer gebruikt om informatie te verkrijgen over het type, het aantal en de rangschikking van kernen in een bepaald monster. Analyse van een NMR-spectrum door een chemicus kan bijvoorbeeld informatie verschaffen over de verschillende soorten chemicaliën die in een monster aanwezig zijn, evenals de structuur van de verschillende aanwezige moleculen. NMR-spectroscopie is bijvoorbeeld van groot belang geweest om te begrijpen hoe nucleïnezuren en eiwitten zijn gestructureerd en geeft ook aanwijzingen over hoe deze moleculen functioneren.
De basis van nucleaire magnetische resonantiebeeldvorming berust op het feit dat de resonantiefrequentie van verschillende moleculen evenredig is met de sterkte van het magnetische veld dat daarop wordt toegepast. Wanneer een monster in een oscillerend magnetisch veld wordt geplaatst, variëren de resonantiefrequenties van de kernen in het monster afhankelijk van waar ze zich in dat veld bevinden. Deze variaties kunnen vervolgens worden gebruikt om een beeld van het monster zelf op te bouwen.
In de geneeskunde is deze techniek algemeen bekend als magnetische resonantiebeeldvorming of MRI. Deze medische beeldvormingsapparatuur maakt gebruik van magnetische velden om de waterstofatomen in water uit te lijnen. Omdat het menselijk lichaam een groot deel water bevat, levert het op deze manier uitlijnen van waterstofatomen voldoende informatie op om een beeld van de interne structuur van het lichaam op te bouwen. Het bezit van spin is een belangrijk concept in deze technologie. Dit komt omdat waterstofatomen, die spin hebben, anders reageren op magnetische velden, afhankelijk van aan welke andere soorten moleculen ze zijn gebonden, en zelfs de soorten moleculen waar ze dichtbij staan.
NMR-technologie heeft vele andere theoretische en praktische toepassingen. De aardolie- en aardgasindustrie gebruiken NMR-technologie om te helpen bij het verkennen van het aardse gesteente om afzettingen van deze brandstoffen te vinden. Een van de belangrijkste toepassingen van NMR-technologie bij het onderzoeken van monsters is dat dit gebeurt zonder het monster te vernietigen. Dit betekent dat NMR-tests kunnen worden uitgevoerd op monsters die kwetsbaar of gevaarlijk zijn met veel minder risico.