핵자기공명 분석(NMR) 원리

1. 정의

NMR은 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy의 약자이다. NMR spectroscopy 또는 핵자기공명분석법이라고도 한다. 유기화합물의 분석에서 탄소와 수소 사이의 framework를 분석해 유기물의 구조, map을 파악하는데 쓰이는 방법으로 자기장 속에 놓인 원자핵이 특정 주파수의 전자기파와 공명을 일으키는 현상을 이용하여 분석한다. IR spectroscopy나 UV spectroscopy와 함께 사용하면 상당히 복잡한 유기물의 구조도 알아낼 수 있다.

분석 대상의 전자가 모두 짝이 지어진 경우 diamagnetic NMR, 그렇지 않은 경우 paramagnetic NMR로 분류할 수 있으며, 대학교 수준에서 배우는 대부분의 NMR 분석법은 diamagnetic NMR 중심으로 되어 있다. 이는 대부분의 분석물들이 diamagnetic이기 때문인데, 금속이 포함된 촉매나 라디칼 등에서 paramagnetic인 것들을 볼 수 있다. Paramagnetic NMR은 보통 shift 범위와 peak가 넓어서 coupling이 잘 보이지 않고 해상도가 낮으며 이와 비슷한 테크닉으로는 electron paramagnetic resonance(EPR, ESR)이 있다.

샘플의 종류에 따라서 분류할 수도 있다. 대다수의 샘플은 수소를 모두 중수소로 바꾼 용매에 화합물을 녹인 용액 형태이지만 파트를 갈아끼우면 고체상태로도 분석을 진행할 수 있고 이를 Solid NMR이라 부른다.


보통 기기를 300 MHz NMR, 500 MHz NMR 등으로 지칭하는데, 앞의 숫자는 수소의 공명주파수이다. 이것이 높을수록 자기장이 강력하다는것을 의미하며 spectrum의 퀄리티도 좋아지지만 그만큼 가격이 비싸지며, 자석의 부피가 커지고 무거워진다. 보통의 유기 화합물들의 분석은 200~600MHz 정도로도 충분하고 그 이상은 단백질 분석 등에 쓰인다.


대형 NMR과는 반대로 휴대가 가능한 소형 NMR도 존재한다. 빠르고 간단하게 결과를 얻을 수 있는 것이 장점이다. 위에서 서술한 대형 NMR의 경우 초전도자석을 가동하기 위해 비싼 액체 헬륨과, 헬륨이 소모되는 속도를 늦추기 위해 액체질소를 주기적으로 공급해줘야 하는 반면, 영구자석과 전자석을 사용하는 300 MHz 이하 대의 NMR은 주기적인 공급이 필요 없다. 자기장이 약하기 때문에 sensitivity는 낮지만 샘플의 농도를 올리거나 스캔 수를 늘리는 방법을 통해 대략적인 데이터를 뽑아낼 수 있다. 이 NMR 기술을 의학쪽으로 발전시킨것이 MRI이다.

2. 원리

전자가 스핀을 가지고 있는 것과 마찬가지로 어떤 핵들도 스핀을 가지고 있다. 외부의 자기장이 존재하지 않는 경우 핵 스핀은 대체로 무작위로 정렬된 상태이다. 외부에서 자기장을 걸어주면 유도자기장이 생기는데, 이때 핵 스핀은 외부 자기장과 같거나 반대의 방향으로 정렬된다. 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬될 경우 에너지 준위가 낮아지며, 반대 방향으로 정렬될 경우 에너지 준위가 높아진다. 기존 에너지 준위에서 높아지거나 낮아지는 에너지의 정도는 이 경우 서로 같다.

이때 라디오파 정도의 주파수를 외부에서 에너지로 제공해 주면 핵의 스핀은 에너지를 받아서 외부 자기장에 정반대 방향으로 스핀 상태를 변화시킬 수 있다. 화합물에서 각각의 원자가 가지고 있는 핵 스핀의 강도가 다르기 때문에 같은 세기의 자기장을 걸어 줘도 흡수하는 주파수가 다르다. 따라서 NMR에서 흡수하는 주파수를 측정함으로써 어떤 원자가 존재하는지 분석할 수 있다.

하지만 분석할 수 있는 원자의 종류는 한정되어 있는데, 분석하는 원자의 스핀 양자수가 자기장을 걸었을 때 에너지 차이가 존재하는 형태의 스핀 양자수 형태를 가져야 한다. 예를 들면 원자량 12의 탄소(12C)는 자기장을 걸어도 에너지 차이가 존재하지 않기 때문에 분석할 수 없다.

주요 시료

3. NMR 결과 분석법

수소원자의 NMR인 H-NMR에서는 결과가 하나의 peak로 나타나는게 아니라, 여러 개의 peak가 붙어있는 형태로 나오기도 한다. 이를 multiplet이라고 한다. 이 현상은 이웃한 원자와의 상호작용과 coupling 때문에 발생한다.

이때, 화학적으로 완전히 동등한 원자들은 이 분할을 만들지 못하고, n개의 동등한 이웃한 원자핵들이 n+1개의 peak를 만든다. 예를 들어 현재 peak에 해당하는 H에 연결된 C가 있고, 다시 이 C에 연결된 C에 서로 동등한 H가 n개 달려있으면 n+1개의 peak가 생성된다. 즉 이를 통해 이웃한 C에 H가 몇개 결합되어 있는지 알 수 있으며 이를 통해 구조를 유추 할 수 있다.

또한 원점에서 shift가 일어난 정도를 통해 역시 특정 구조형태를 알아낼 수 있다.

다음은 shift 정도에 따른 구조를 정리한 표이다. (ppm 단위)

NMR 분석 예시