18. 자기공명장치(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)

18. 자기공명장치(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)

 

1. 소개                                                                                                                       

 아인슈타인의 공식 E+MC^2과 Faraday 공식인 E=BLV {E는 유도 기전력, B는

자기장, L은 도체 길이, V는 이동속도 입니다}가 만나서 E를 매개로하여 합쳐 질수

가 있으며 이때에 외부에서 걸어준 자기장과 인간과의 상호 관계에서 에너지 식을

끌어 낼수 있는데, 유도 기전력이 단위 전하당 에너지 이므로 MC^2=BLV가 됩니다.

 

 이런 관계로 인하여 MRI(magnetic resonance imaging:핵자기 공명 단층 촬영 장

치)가 발명되며 생체 시스템을 구성하는 분자들간의 상호작용을 규명하는 길과 치

료의 길도 함께 열렸읍니다.

 

 또한 자기공명장치(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)는 분자 내의 수소, 질소,

탄소 사이의 거리와 각도를 측정해 거대 생체고분자의 구조를 밝혀내는 첨단장치

로서 천연물, 합성신물질 등 여러 분자의 구조에 대한 연구를 수행하는데에도 이용

됩니다.

 

 기본적으로 MRI는 균일한 자장 내에서 원자 핵의 스핀이 같은 방향으로 정렬된 상

태로 존재하는 원자들에 대하여 대상 원자의 고유값이 되는 gyromagnetic ratio와

상응하는 주파수를 RF transmitter로 송신하고 다시 Receiver로 수신받아 신호를

얻기 위한 장치입니다.

 

 이를 위해서 MRI 안에는 4개의 자장을 형성시킬 수 있는 장치가 들어가며 그중에

가장 중요한 주자장을 형성하는 보어는 1 ~ 3T( 테슬라 ) 크기를 같은 초전도체 자석

을 이용하여 만듭니다. 그리고, 특정 위치에서 신호를 받기 위하여 3개의 gradient

coil이 x, y, z 방향으로 경사진 자장을 형성 시켜줍니다.

 

 RF 신호의 송수신을 위한 Transmitter/Receiver 도 중요한 장치이지만 MRI에서 가

장 중요한 것은 균일한 자장을 형성시킬 수 있는 초전도 자석으로 만드는 보어와

gradient coil입니다.

 

 또한, MRI에서 얻어지는 영상을 카메라를 통해서 얻어지는 것이 아니고 수신된

RF pulse의 크기와 위상을 해석하여 영상을 얻게 됩니다. 이렇게 영상을 얻기 위하

여서는 자장을 변화시켜주시 위한 운영 프로그램에 해당되는 Pulse Squence라는

것이 필요하며 신호의 해석은 보통 퓨리에 변화을 이용합니다.

 

 원래 MRI( 자기공명영상)는 원자의 핵을 이용하기 때문에 NMRI(핵자기공명영상

)라고 불렀습니다. 그런데, NMRI 즉, Nulear Magnetic Resonance Image의 Nuclear,

핵이라는 단어가 사람들에게 친근함을 주기 힘들다고 판단하고 Nuclear를 빼버리

고 MRI라고 부르게 되었습니다.

 

 또한 fMRI는 Functional MRI라고 하며 대개 인체 내의 Metabolism(신진대사)를

관찰하기 위하여 인체 내에 특정 단백질을 주입하여 얻는 MRI의 영상 기법 중 하

나입니다.

 

2. NMR의 기본 원리                                                                                                  

 NMR의 기본 원리는 원자핵의 스핀(spin)과 자기장에 대한 반응을 기반으로 합니

다. 다음은 NMR의 작동 원리에 대한 상세한 설명입니다.

 

2.1 원자핵의 스핀

 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있으며, 이들 입자는 고유한 자기적 성질을

가지고 있습니다. 특히 양성자는 스핀이라는 고유한 양자적 특성을 가지고 있어,

이로 인해 자기장을 형성합니다. 스핀은 위쪽(↑) 또는 아래쪽(↓) 방향으로 정렬될

수 있으며, 이는 자기장에 따라 달라집니다.

 

2.2 자기장과 에너지 상태

 NMR 장비는 강력한 외부 자기장을 생성합니다. 이 자기장 안에서 원자핵은 두

가지 에너지 상태에 놓이게 됩니다. 낮은 에너지 상태(정렬 상태)와 높은 에너지

상태(비정렬 상태)로 나뉘며, 이 두 상태 간의 에너지 차이는 주파수에 해당합니

다.

 

2.3 라디오파의 적용

 저주파수 범위의 라디오파를 샘플에 방사하면, 원자핵은 외부 자기장에 의해 정

렬된 상태에서 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이됩니다. 이 과정에서

원자핵은 특정 주파수에서 공명하게 되며, 이를 통해 NMR 신호가 생성됩니다.

 

2.4 신호의 검출

 원자핵이 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 돌아갈 때 방출되는 전자기

파를 검출합니다. 이 신호는 특정 화학적 환경에 따라 달라지며, 이를 분석하여

분자의 구조 정보를 얻습니다.

 

3. NMR의 응용 분야                                                                                                  

 NMR은 여러 분야에서 중요한 분석 도구로 사용되고 있습니다.

 

3.1 화학

 화학 분야에서 NMR은 분자의 구조와 순도를 확인하는 데 사용됩니다. 특히 유기

화합물의 구조를 결정하는 데 필수적인 도구입니다. 예를 들어, NMR은 화합물의

기능 그룹, 입체화학, 및 이성질체 구조를 식별하는 데 유용합니다.

 

3.2 생화학

 생화학에서는 단백질 및 핵산의 구조 분석에 NMR이 활용됩니다. NMR은 단백질

의 3차원 구조를 결정하는 데 중요한 역할을 하며, 단백질-단백질 및 단백질-리간

드 상호작용 연구에도 유용합니다. 이는 약물 개발 및 생물학적 연구에 큰 기여를

합니다.

 

3.3 의학

 NMR의 변형 기술인 MRI(자기공명영상)는 의학적 이미징에 널리 사용됩니다.

MRI는 인체 내부 구조를 비침습적으로 촬영할 수 있어, 진단 및 치료 계획 수립에

중요한 역할을 합니다.

 

3.4 재료 과학

 NMR은 고체 및 액체의 물리적, 화학적 성질을 연구하는 데도 활용됩니다. 재료의

미세구조 분석과 같은 응용이 포함됩니다.

 

 

4. NMR 스펙트럼 해석                                                                                              

 NMR 스펙트럼은 분석의 핵심으로, 다양한 정보를 제공합니다.

 

4.1 화학적 이동(Chemical Shift)

 화학적 이동은 원자핵이 위치한 화학적 환경에 따라 다르게 나타나는 신호의 주

파수를 의미합니다. 이는 원자핵 주변의 전자 밀도와 관련이 있으며, 특정 화합물

의 구조적 특성을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

4.2 스핀-스핀 결합(Spin-Spin Coupling)

 인접한 원자핵 간의 상호작용으로 인해 신호가 분할되는 현상으로, 이는 NMR 스

펙트럼에서 복잡한 피크 패턴으로 나타납니다. 이를 통해 분자의 입체화학적 정보

를 추론할 수 있습니다.

 

4.3 신호 강도

 NMR 스펙트럼의 각 신호의 강도는 해당 원자핵의 상대적 수를 나타냅니다. 이를

통해 분자의 화학적 조성을 파악할 수 있습니다.

 

5. NMR의 장점과 한계                                                                                              

5.1 장점

 비파괴적 분석: 샘플을 손상시키지 않고 분석할 수 있어, 귀중한 샘플에 대한 연구

   에 적합합니다.

 고해상도: NMR은 매우 높은 분해능을 제공하여 복잡한 분자의 구조를 명확하게

   분석할 수 있습니다.

 

5.2 한계

 비용: NMR 장비는 고가이며, 운영 및 유지 관리에도 많은 비용이 소요됩니다.

 전문 지식 필요: NMR 데이터 해석은 고도의 전문 지식이 필요하여, 숙련된 연구

   자가 필요합니다.

 제한된 원자핵: NMR은 특정 원자핵(예: 수소, 탄소, 질소)만을 대상으로 하므로,

   모든 물질에 적용할 수는 없습니다.

 

6. 결론                                                                                                                       

 자기공명장치(NMR)는 현대 과학과 기술에서 매우 중요한 분석 도구로 자리 잡고

있습니다. NMR의 원리를 이해하고 이를 활용함으로써, 연구자들은 물질의 구조와

성질을 보다 깊이 있게 탐구할 수 있습니다. 앞으로도 NMR 기술은 더욱 발전하여

다양한 응용 가능성을 열어줄 것이며, 과학 연구와 산업 분야에서 필수적인 역할을

지속할 것입니다.