Vad är kärnmagnetisk resonans?

Alla magnetiska kärnor har en egenskap som kallas kärnmagnetisk resonans, eller NMR, när de befinner sig inom ett magnetfält och när vissa andra villkor är uppfyllda. En rad olika typer av teknik har utvecklats enligt dessa principer. Dessa inkluderar olika typer av medicinsk avbildning och spektroskopi.

Kärnmagnetisk resonans hänger på det faktum att när en svängande elektromagnetisk puls appliceras på kärnor i ett magnetfält, absorberar enskilda kärnor energi och släpper sedan den energin i specifika mönster. Mönstret för energiabsorption och frisättning beror på styrkan hos magnetfältet samt vissa andra variabler. Genom att undersöka dessa mönster kan fysiker undersöka kvantmekaniska egenskaper hos atomkärnor. Kemister kan använda NMR-teknik för att undersöka den kemiska och strukturella sammansättningen av prover, och inom medicin är kärnmagnetisk resonans-teknik grunden för en ofta använd typ av medicinsk avbildningsutrustning.

All NMR-teknik är också beroende av en egenskap som heter spin . När man bestämmer om en given atomkärnor har snurrat räknas antalet nukleoner i atomen. Nukleon är det samlade namnet som ges till protoner och neutroner. Om antalet protoner och neutroner i en kärna är ett udda antal är mängden snurr som kärnorna har större än noll. Den kärnan sägs därför ha den egenskapen att snurra. Varje kärna som har snurr kan undersökas med hjälp av NMR-teknik.

Vid kärnmagnetisk resonansspektroskopi används en maskin som kallas en kärnmagnetisk resonansspektrometer för att få information om typ, antal och arrangemang av kärnor i ett givet prov. Analys av ett NMR-spektrum av en kemist, till exempel, kan tillhandahålla information om de olika typerna av kemikalier som finns i ett prov, liksom strukturen för de olika molekylerna som finns. NMR-spektroskopi har till exempel bidragit till att förstå hur nukleinsyror och proteiner är strukturerade och ger också ledtrådar om hur dessa molekyler fungerar.

Grunden för kärnmagnetisk resonansavbildning förlitar sig på att resonansfrekvensen för olika molekyler är proportionell mot styrkan hos det magnetiska fältet som appliceras på dem. När ett prov placeras i ett oscillerande magnetfält, varierar resonansfrekvenserna för kärnorna i provet beroende på var de befinner sig inom det fältet. Dessa variationer kan sedan användas för att bygga upp en bild av själva provet.

Inom medicin är denna teknik ofta känd som magnetisk resonansavbildning, eller MRI. Denna medicinska avbildningsutrustning använder magnetfält för att anpassa väteatomerna som finns i vatten. Eftersom människokroppen innehåller en stor andel vatten, ger väteatomer på detta sätt tillräckligt med information för att bygga upp en bild av kroppens inre struktur. Innehavet av spin är ett viktigt koncept i denna teknik. Detta beror på att väteatomer, som har snurrat, svarar på olika sätt på magnetfält beroende på vilka andra typer av molekyler de är bundna till, och till och med vilka typer av molekyler de är placerade nära.

NMR-tekniken har många andra teoretiska och praktiska tillämpningar. Petroleum- och naturgasindustrin använder NMR-teknik för att hjälpa till med utforskning av jordens berg för att lokalisera avlagringar av dessa bränslen. En av de viktigaste användningarna av NMR-teknik vid undersökning av prover är att den görs utan att förstöra provet. Detta innebär att NMR-test kan utföras på prover som är känsliga eller farliga med mycket reducerad risk.