핵자기 공명 분광법(NMR) 원리 및 시험방법

핵자기 공명 분광법(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)은 20세기 중반에 물리학자 Bloch와 Purcell에 의해서 처음 만들어졌습니다. NMR은 실험장비 중 신뢰가가 가장 높은 시험방법 중 하나로 다른 분광법으로는 대체할 수 없는 고유의 특성을 가지고 매우 빠르게 발전해왔습니다. NMR은 용액 상태와 고체상태의 화합물을 연구할 수 있는 이론적으로 굉장히 복잡한 분석 기기입니다. 이러한 핵자기 공명 분광법은 분자 화합물의 구조를 파악하는데 매우 효과적이고 정량 분석에도 사용할 수 있습니다. 이러한 장점들로 인해 유기화학이나 생화학 연구에 많이 이용되고 있습니다. 

 

 

핵자기 공명 분광법(NMR)

NMR은 특별한 방법으로 유기화합물과 무기화합물의 구조를 결정하는 문제를 해결했기 때문에 붙여진 이름입니다. 분석을 목적으로 사용하기에 더 편리한 기기들이 많지만 NMR 분광법은 데이터 신뢰도가 높기 때문에 복잡한 구조와 사용법에도 많은 실험실에서 사용하고 있습니다.  

 

핵자기 공명 분광기 (NMR)

 

핵의 스핀과 자기장의 상호작용

입자와 마찬가지로 모든 원자핵은 여러 가지 고유한 매개변수 중 하나인 스핀으로 특성화됩니다. 양자역학에서 적용되는 이 백터의 크기는 힘의 방향이 존재하는 매체 속에서 원자의 거동을 설명하는 데 사용됩니다. 자기장이 걸린 공간에서 원자는 방향성을 갖게 됩니다. 이때 핵의 스핀은 운동 모멘트와 같은 차원을 갖고 스핀의 거동 양식은 핵의 종류에 따라 변하게 됩니다. 

 

 

핵자기 공명 분광법(NMR) 응용

NMR은 일반적으로 수소타입과 탄소 타입으로 구분됩니다. 모든 핵은 NMR 신호를 갖는데 탄소 중에서 12가 탄소는 핵의 스핀 양자수가 0이기 때문에 NMR에 사용될 수 없습니다. 그렇기 때문에 13가 탄소를 이용해야 합니다. 그 외에 헬륨과 산소, 실리카, 황 등도 핵의 스핀 양자수가 0이기 때문에 NMR에 부적합하고 핵 중에 반 이상은 NMR 신호를 가지고 있기 때문에 신호의 감도는 핵의 종류에 크게 영향을 받습니다. 그렇기 때문에 수소 양성자는 탄소수의 1% 미만의 신호를 가지고 있는 13가 탄소보다 검출이 쉽습니다.

 

핵자기 공명 분광기 (NMR) 원리

 

Larmor 진동수

정량적으로 보면 자기회전 상수를 알고 외부 자기장에서 에너지 변화를 측정할 수 있으면 핵을 확인할 수가 있습니다. 광학 분광법에서 화학종이 광자를 흡수하거나 방출함으로써 한 상태에서 다른 상태로 전이되는 조건하에서 에너지 차이를 결정할 수 있다. 외부 자기장에 대해서 수직 방향이 되게 여러 가지 진동수의 전자기 복사 에너지를 받으면 광원을 가진 자기장에 원자를 노출시키는 기본 실험에서 흡수가 일어나는 것을 확인할 수 있습니다. 

 

 

이러한 과정을 통해서 얻게되는 수식이 Larmor 진동수입니다. 이 진동수는 핵이 위치한 자기장과 공명을 일으키는 전자기 복사의 진동수와 관련이 있으며 낮은 에너지 준위에서 핵이 뒤집어지면 높은 에너지 상태로 전이되면서 신호가 발생합니다. 두 에너지 준위 사이의 상호 교환을 유도하는 라디오 파는 z축의 평균 방향으로 스핀 백터가 회전하는 Larmor 진동수와 같아지게 됩니다. 이는 아일랜드 물리학자인 Larmor에 의해서 밝혀진 결과입니다.

 

 

펄스 NMR

핵과 자기장의 상호작용을 이해하기 위해서는 같은 속도로 xy면에 서로 반대 방향으로 회전하고 있는 2개의 백터를 생각해보면 됩니다. 기준이 세차 진동수와 같이 회전하면 시계방향으로 돌고 있는 백터 요소는 정지한 것으로 나타납니다. 이때  z 축을 중심으로 반시계 방향으로 돌고 있는 두 번째 백터 요소는 스핀의 공명 진동수와 다르게 회전합니다. 

 

NMR 데이터

 

세차운동과 같은 방향으로 회전하는 백터만이 핵과 상호작용을 할 수 있고 비스듬히 기울어진 자기화가 z 축을 중심으로 회전하면서 xy면에 있는 코일의 전류를 유도시킵니다. 광원에서 나오는 라디오파의 진동수와 세차운동의 진동수가 정확하게 일치될 때 전이가 일어나고 이런 조건에서 일부의 핵은 스핀이 이차 배향을 하게 됩니다.

 

 

이상으로 핵자기 공명 분광법(NMR) 원리 및 시험방법에 대해서 알아보았습니다. 뒤의 이론이 더있지만 내용이 길어져서 이만 작성하겠습니다. NMR은 가장 널리 사용되는 분석기법이지만 실제로 장비를 보유한 곳은 규모가 큰 연구실입니다. 장비가 매우 고가이고 크기 때문에 일반적으로 NMR 분석을 의뢰하여 데이터만 받는 것입니다. 이 데이터를 해석하는 것이 연구원들이 해야 할 일이기 때문에 해석하는 능력을 키워보시길 바랍니다.