NMRとは 核磁気共鳴 (Nuclear Magnetic Resonance) の略称です。ざっくりいうと 構成原子の置かれた環境を１つ１つ区別して調べることができ、原子同士のつながり方もわかる測定法 です。測定が簡便な割に多くの情報が得られるため、特に有機化合物を扱う分野では重宝されます。毎日10本を超える測定を行うことも珍しくありません。
本シリーズでは、NMRの原理から実例までをできるだけ分かりやすくご紹介したいと思います。今回は【原理編】です。
核磁気共鳴現象：その原理
原子核は正電荷をもち、自転しています(厳密にはコマのように 歳差運動 をしています)。これによって自ら磁場を発生させています。言い換えると、原子一つ一つは、小さな磁石とみなすことができます。このことを表すベクトル物理量を、核磁気モーメント(核スピン)と呼びます。
普通の状態だと原子核はランダムな方向で回転しますので、核スピンの向きは当然ばらばらです。しかし、外部から強力な磁場(強さB0)をかけてやると、核スピンは 磁場と順並行(↑)または逆並行(↓)の2種類へと綺麗に整列 してくれます。
このとき、逆並行(↓)の核スピン状態は、外部磁場と逆らう形になっているので、順並行(↑)に比べてエネルギーが高くなります。外部磁場の影響により、核スピンが2つのエネルギー順位へ分裂することをゼーマン分裂と呼びます。 ゼーマン分裂状態になると、エネルギー差に相当する電磁波に対して系が共鳴する(≒特定の波長をもつ光で高エネルギー状態へ励起される)ようになります。これこそが核磁気共鳴と呼ばれる現象です。
NMRの場合、このエネルギーがラジオ波領域(波長＝1 m～100 km)に相当します。様々な波長のラジオ波をパルスとして一挙に当ててやると、上記エネルギー差に相当する波長のみで吸収が起こります。この様子を解析してやることで、 核スピン(≒原子核)の置かれた状態が分かるのです。
測定装置
NMR測定装置は、大まかに①超伝導磁石(磁場発生部) ②分光計(ラジオ波照射・信号受信部) ③コンピューター(操作及びデータ処理部)に分かれます。
NMR装置の構成(JEOL RESONANCEのページより引用)
サンプル挿入・測定時の状態を模式的に表すと、下図のようになります。
サンプル管に磁場をかけ、高周波発振器によってラジオ波をあてると、上述の原理に従って核磁気共鳴が起こります。このとき、試料を取り巻いているコイルに微小な誘導電流が放出されるので、増幅器を経由させて自由誘導減衰(FID)信号としてこれを記録します。
実際には、FIDは様々な波形の重ね合わせとして記録されますので、コンピュータで波数成分ごとに分離(フーリエ解析)してやります。そうすると、我々の目になじみ深いNMRチャートが得られてきます。
左：FID信号、右：フーリエ変換後のNMRチャート( こちらのページ より引用)
