核磁気共鳴について詳しく解説

分光計。

核磁気共鳴は、ゼロ以外の核スピンを持つ粒子または原子粒子のセットに適用される分光技術です。

これは、強い磁場の存在下で、対象の原子の核が特定の周波数の電磁放射を吸収する現象です。 Isidor Isaac Rabi は1938 年にこの現象を発見しました。磁気共鳴はその後、水素などの軽い原子の検出に応用されました。

その用途は物理学、化学、医療画像処理に関係します。

原理

この方法では、原子核のスピンを利用します。一部の原子核はスピンがゼロ (陽子と中性子の数が両方とも偶数である原子核) ですが、他の原子核はゼロ以外の核スピンを持ちます。これは、磁気モーメントのように振る舞うスピンの磁気モーメント(つまり、一種のスピン) をそれらと関連付けることができることを意味します。小さな磁石の）。炭素12 原子と酸素16 原子は非常に一般的ですが、それらの核スピンはゼロです。一方、水素には陽子が 1 つしかなく、その核磁気モーメントはゼロではありません。水素の (陽子の) 磁気共鳴が最もよく利用されます。ここで使用されている形容詞「核」は放射能の現象とは関係なく、単に原子核を指しているだけであることを指摘することが特に重要です。

量子物理学では、外部磁場に置かれたスピン 1/2 磁気モーメントは 2 つの可能なエネルギー (2 つのエネルギーレベル) を持つ可能性があることを教えています。たとえば、これは電子に関して実験的に観察できます。それがゼーマン効果です。 NMR は、核磁気モーメントを変更することで構成されます。言い換えれば、光子の吸収によって原子核をあるエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに移動させる (これはスピンを「戻す」ことになります)。電磁波）がこの遷移を可能にし、共鳴が起こります。通常の磁場（テスラ程度）では、陽子の共鳴は電波の範囲（約 100 MHz）で起こります。1.0 T の磁場では 42 MHz、1.5 T の磁場では 63 MHz です。

ノルムB ₀の強制磁場と共鳴周波数 (スピン反転) νの間に存在する数学的関係は非常に単純です。

$$ {\nu_{0} = \gamma\times {B_{0} \over 2\pi}} $$

ここで、 γ は研究された各原子核の特徴的な磁気回転比です。

したがって、次の表は、最も一般的な原子核のγの値を示しています。

したがって、陽子の共鳴に必要な電磁波の周波数は、 ¹³ C の共鳴に必要な電磁波の周波数よりも約 4 倍高いことがわかります。

スピンから平衡状態 (緩和) に戻るまでの移行により、電磁波が放射され、センサーで検出できます。

磁気共鳴画像法(MRI) では、各ボクセル (検査するサンプルの基本体積) の応答を測定し、陽子密度を決定して画像を再構成します。

歴史的

• 1938 年、イシドール アイザック ラビは分子ジェットの磁気共鳴現象を発見しました。
• 1946 年、フェリックス ブロックとエドワード ミルズ パーセルは共振周波数の概念を明確にしました。
• 画像処理におけるその応用は、この発明により 2003 年にノーベル生理学・医学賞を受賞したポール・ローターバーによって 1973 年に作成されたゼウグマトモグラフィー(ゼウグマは「結合」を意味するギリシャ語) という用語で登場しました。

用途

この分析技術の非破壊的な性質により、この方法のさまざまな開発が行われ、現在では人体を研究するための医学 (MRI) や、構造分析を実行するための有機化学で使用されています。

これは、生きた分子の 3D「画像」を取得するために構造ゲノミクスで広く使用されている生物物理学ツールです。

有機化学におけるNMR

NMR は有機化学で最も一般的に使用される分析ツールです。使用される技術に応じて、分析されたサンプルに関する定性的または定量的な情報を取得することが可能になります。最も頻繁に研究される原子核は¹ H、 ¹³ C、 ³¹ P、および¹⁹ F であり、これらはすべて 1/2 に等しい非ゼロ核スピンを持っています。 ¹⁴ N の核スピンは 1 です。

分析されるサンプルは重水素化溶媒に溶解されます（ ^2D 、核スピンが 1 に等しい¹ H の同位体）を参照してください。この溶媒、一般に重水素化クロロホルム(CDCl ₃ ) は、重水素の共鳴周波数が水素とは非常に異なるため (重水素の場合、磁気回転比は 6.54 MHz/T)、プロトン NMR では通常は見えません。

^1H NMR を考えてみましょう。サンプルの分子に化学的に結合している水素原子の化学的環境は、その共鳴周波数に影響します。したがって、アルコール基 (-OH) の水素ν1は、カルボキシル基 (-COOH) の水素ν2よりも高い共鳴周波数を持ちます。これら 2 つの周波数の差は数ヘルツであるため、化学者は別の量である化学シフトを定義し、サンプルに導入されるテトラメチルシラン (TMS) の標準スピン フリップ周波数を指します。

共鳴周波数ν1と対応する化学シフトδ1の関係は、次の計算で求められます。

δ 1 = 1000000 * (ν TMS − ν 1 ) / ν TMS

ν T M S はほとんどの種類の陽子の共鳴周波数よりも高いためです。

引用されたケースでは、化学シフトは RO -Hでは約 4、R-COO -Hでは約 11 です。

¹ H NMR は比較的高速 (約 2 分) で、簡単な定量分析が可能です。得られた質量（多重項）の性質の解釈と、各官能基に存在するプロトンの化学運動に関する経験的知識のおかげで、単純な論理的推論を適用することによって、すべての有機分子の展開構造を決定することが可能です。

¹³ Ｃ ＮＭＲは、様々な官能基の一部を形成する炭素の化学的動きについての経験的知識のおかげで、分子のすべての炭素を見つけることを可能にする。最近の装置により、プロトンデカップリングの有無にかかわらず、 ¹ Ｈおよび¹³ Ｃ ＮＭＲスペクトルを迅速に取得することが可能になった。

医療画像および生物物理学における NMR

脳MRI（正中線を通る矢状断面）

核磁気共鳴画像法(MRI) は、体の一部の 2D または 3Dビューを提供する医療画像技術です。この技術は脳を観察するのに非常に役立ちます。異なるシーケンス (MRI シーケンス) のおかげで、コントラスト解像度がスキャナーの解像度よりも大幅に優れているため、非常に高いコントラストでさまざまな組織を観察できます。

磁気共鳴画像法に関する記事を参照してください。

構造生物学におけるNMR

X 線結晶構造解析と並んで、NMR は溶液中の生体高分子を研究する方法となっています。単結晶を取得する必要がなく、ミリモル濃度でのタンパク質や核酸の研究が可能です。多次元 NMR 技術は、いくつかのスピンの周波数を相関させ、スペクトルの重ね合わせに関連する曖昧さを解決します。数十塩基対のオリゴヌクレオチドのほか、分子量10～30kDaのタンパク質も解析可能です。

同位体標識を行わない同核 NMR

歴史的に、タンパク質は、豊富に存在するプロトン ( ^1H同位体) の NMR によって研究されてきました。最初のステップは、共鳴を割り当てることで構成されます。つまり、スペクトル信号と分子の水素原子の間の相関関係を確立します。スカラー結合による相関実験 ( HOHAHAまたはTOCSY ) とオーバーハウザー効果による空間を介した相関実験 ( NOESY ) の 2 つの重要な実験が使用されます。この割り当ては、ペプチド配列からの情報を使用して、隣接する核に対する相対的な核の位置決めによって機能するため、逐次的と呼ばれます。この割り当てプロセス (パズルのようなもの) は、タンパク質のサイズが大きくなるにつれてますます複雑になります。さらに、オーバーハウザー効果は空間を介して伝達されるため、ペプチド配列内で近い核と空間内で近い核を区別することはできません。したがって、パズルの特定のピースがマット上に残っているプロセスの最後にのみ検出されるエラーが発生する可能性があります。

スペクトルが割り当てられると、その情報は定量的に使用されます。スカラー結合により、二面角と原子間距離(最大 4 ～ 6 オングストローム) にわたるオーバーハウザー効果に関する情報が得られます。この情報は 分子モデリングプログラムに入力され、データと適合する 1 つ以上の分子の立体構造が検索されます。この戦略は、建物間の距離と角度を測定し、都市計画を再計算する測量士の戦略に似ています。ただし、NMR で測定される距離の範囲は、評価される対象物に比べて狭いです。実験誤差や少数のデータが蓄積すると、局所的に不明確な構造が生じます。

スペクトルの複雑さと各シグナルの個々の幅という 2 つの問題により、研究できる高分子のサイズが制限されます。タンパク質のサイズが 2 倍になると、分散(つまりスペクトル幅) が増加することなく、スペクトル内の共鳴の数が 2 倍になります。解決策の 1 つは、高磁場 NMR分光計を使用することですが、そのためはるかに高価になります。サイズが 2 倍になると、分子量が増加し、タンパク質は拡散運動によってよりゆっくりと回転します。これにより、横方向の緩和がより効率的になるため、信号が大きくなります。磁場を増加しても効果はありません…そして、問題に対する別の解決策 (粘度の減少、隣接する陽子の数の減少など) を見つける必要があります。

同位体標識によるヘテロ核 NMR

大きな分子のスペクトルの重ね合わせを解明するには、2D NMR から 3D NMR に移行する必要がありました。 1990 年代初頭に、HOHAHA 配列と NOESY 配列を三次元実験で組み合わせる試みが行われましたが、失敗しました。 ¹⁵ N と¹³ C が完全に豊富なタンパク質があれば、スカラーカップリングのみに基づいてスピン間の相関実験を設計でき、ペプチド主鎖全体と側鎖を接続することが可能になります。天然に豊富に存在する同位体はそれぞれ¹⁴ N (四極核) と¹² C ( NMR における不可視核) ですが、ほとんどのタンパク質は細菌の過剰発現によって得られるため、同位体が豊富な培地で培養を行うことが可能です。

この新しい戦略では、一連の 3D 三重共鳴実験を使用します。3Dは3 次元スペクトルが得られるため、三重共鳴は3 つの異なる原子核の周波数が検出されるためです。感度の理由から、これらのシーケンスはすべて¹ H (高い磁気回転比を持つ核) から始まり、同じ核の検出で終わります。したがって、 HNCO実験では、アミド プロトン ( ^H N)、その窒素(N)、および前のアミノ酸のカルボニル(CO) 間の相関関係を確立します。コヒーレンス転送に使用されるスカラー結合は¹ J 結合 (1 つのリンクへ) であるため、比較的重要です ( ¹ JNH = 90 Hz および¹ JNCO = 15 Hz)。したがって、これにより、高質量タンパク質（線幅）の場合でも高い転写効率が保証されます。この HNCO 実験により、同核戦略では不可能だったスカラーカップリングによるアミノ酸の接続が可能になることに注意してください (ペプチド結合を介した 3J スカラー カップリングが存在しない)。