Nükleer manyetik rezonans

Bir NMR spektrometresi; 900MHz - 21.2 Tesla

Nükleer manyetik rezonans (NMR) atom çekirdeklerinin manyetik özelliklerine bağlı bir fiziksel olgudur. Tek sayılı nükleon içeren tüm çekirdekler ve çift sayılı olan bazı diğer çekirdeklerin bir manyetik momenti vardır. En yaygın kullanılan çekirdekler hidrojen-1 ve karbon-13'tür, ancak çoğu başka elementin de bazı izotopları da gözlemlenebilir. NMR, bir manyetik çekirdeği incelemek için onun manyetik momentini dışarıdan uygulanan kuvvetli bir manyetik alan ile aynı doğrultuya sokar, sonra momentlerin yönlenmesi bir elektromanyetik dalganın etkisiyle bozulur.

Manyetik alan tarafından yönlendirilmiş olan çekirdeğin momenti yer alabileceği iki enerji seviyesı vardır, biri manyetik alanla aynı yönde olan düşük enerjili bir seviye, öbürü manyetik alana ters yönde olan, yüksek enerjili bir seviye. Bu iki seviye arasındaki enerji farkına karşılık gelen frekansta bir foton soğurulursa moment bir an için yön değiştirir, dolayısıyla o frekansta bir rezonans gözlemlenir.

Bu rezonans, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve manyetik rezonans görüntülemede kullanılır. NMR spektroskopisi bir molekül hakkında fiziksel, kimyasal ve yapısal bilgi edinmek için kullanılan başlıca tekniklerden biridir. Biyolojik moleküllerin çözelti içinde üç boyutlu yapıları hakkında ayrıntılı bilgi veren tek yöntemdir. Ayrıca, nükleer manyetik rezonans, basit kuantum bilgisayarlar oluşturmak için kullanılan tekniklerden biridir.

Terimde kullanılan "nükleer" sözcüğü atomun çekirdeğine değinmektedir, radyoaktivite ile hiçbir ilgisi yoktur.

Tarihçe

Alman fizikçiler Otto Stern ve Walther Gerlach, 1922 yılında gümüş buharıyla yaptıkları deneyde atomların manyetik alanda saptırıldıklarını gösterdiler. Bu deney daha sonradan Stern-Gerlach Deneyi olarak anılmış ve kuantum fiziğinin temellerinden kabul edilmiştir. Deney sonucu gerek elektron ve proton gibi parçacıkların gerekse bazı atomların içsel manyetik momente sahip oldukları gösterilmiş oldu. Yani bir başka deyişle bu parçacıklar küçük birer mıknatıs gibi davranıyorlardı. Deney üzerindeki - gümüş atomları kullanılmasından kaynaklanan - ufak çaplı şüpheler, 1927 yılında T.E. Phipps ve J.B. Taylor'un deney sonuçlarını hidrojen atomları kullanarak tekrar elde edebilmesiyle dağılmış oldu  Stern bu deney sayesinde 1943 Nobel Fizik Ödülü'nün sahibi oldu. Gerlach ise Nazi Almanyası'yla işbirliği yaptığı gerekçesiyle bu ödülden mahrum bırakıldı.

Manyetik momenti olan bir parçacık, manyetik alan içerisine bırakıldığı takdirde alan yönünde hizalanma eğilimindedir. Manyetik alana dik, kuvvetli ikinci bir manyetik alanın kısa bir süreliğine açılıp kapatıldığını düşünelim. Manyetik moment iki alanın bileşeni yönüne dönecek, ikinci alan kapatıldıktan sonra ise sabit olan ilk alan yönüne geri gelmeye çalışacaktır. Ancak bu geri gelme doğrudan değil ama presesyon denilen sabit manyetik alan etrafında döne döne olacaktır. Presesyon hareketi tıpkı bir topacın dönme ekseninden hafifçe saptırılıp bırakıldığında eksen etrafında dolanması gibidir. Zaten manyetik moment tabiri de dönme momentine izafeten ortaya atılmıştır. Topaç örneğinde görülen dönme momenti etrafındaki presesyon hareketinin, belli periyoda sahip olduğu – sözgelimi dakikada bir tur gibi - gözlemlenecektir. Bu periyod ya da diğer bir deyişle dönme sıklığı (frekansı) topacın şekli ve yerçekimi ivmesi – dolayısıyla topacın ağırlığına – bağlı bir sabittir. Manyetik momentin manyetik alan etrafındaki presesyonu da tıpkı böyle belli bir frekansa sahiptir. Bu frekansa Larmor frekansı denmektedir. Larmor frekansı manyetik alanın şiddetiyle doğru orantılıdır. Orantı sabiti manyetojirik oran (γ) olarak tanımlanmaktadır. Yani Larmor frekansı ile manyetik alan şiddeti (B_o) arasındaki ilişki şöyledir: ω= γB_o

Manyetojirik oran ve manyetik alan şiddetine bağlı olan Larmor frekansı sistemin manyetik rezonans frekansıdır. Bunun nedenle manyetik momentleri saptırmak için asıl manyetik alana eşdeğer ikinci bir manyetik alan değil, rezonans frekansa sahip çok zayıf bir radyo frekans sinyali dahi manyetik momentleri saptırmaya yetmektedir. Rezonans frekansa denk gelen herhangi radyo frekans sinyali (RF) derhal soğrulmaktadır. Örneğin proton için 2 Tesla civarında bir manyetik alan için rezonansı 20 MHz'lik bir RF dalgası sağlamaktadır.

NMR'ı 1938 yılında kimyasal maddelerin ayrıştırılmasında kullanarak bilim dünyasına kazandıran Amerikalı fizikçi Isidor Isaac Rabi olmuştur. Rabi bu çalışmalarından ötürü 1944 yılında Fizik Dalında Nobel Ödülüne layık bulunmuştur. Daha sonra Nükleer manyetik rezonans 1946'da Felix Bloch ve Edward Mills Purcell tarafından birbirlerinden bağımsız olarak keşfedilmiş ve bu keşifleri için ikisi 1952 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşmışlardır.

Rezonans frekansının manyetik alan şiddetiyle doğru orantılı olması NMR tekniğinin tıbbî görüntülemede kullanılmasının anahtarıdır. Tekdüze olmayan bir manyetik alana konulan bir numunenin farklı bölgeleri farklı rezonans frekansına sahip olacaktır. 1950 yılında Herman Carr tek eksende monoton değişen manyetik alan kullanarak bir boyutlu manyetik rezonans görüntülemeyi başarmıştır. 1973 yılında Paul Lauterbur, karmaşık bir radyo frekans darbe düzeni ve manyetik alanı ana eksenden anlık olarak hafifçe saptıran manyetik gradyan darbeler kullanarak Nükleer Manyetik Rezonans Görüntülemeyi başarmıştır. O tarihten itibaren tıp alanında kullanılmaya başlayan bu görüntüleme tekniği, nükleer kelimesinin yanlış çağrışımlarından dolayı olacak yalnızca “Manyetik Rezonans Görüntüleme” ya da yaygın şekliyle kısaca MR diye anılmaya başlanmıştır. İngilizcede ise “Magnetic Resonance Imaging” ya da MRI şeklinde anılmaktadır. Lauterbur tıp tarihini değiştiren buluşundan tam otuz yıl sonra 2003'te Sir Peter Mansfield ile birlikte Tıp Alanında Nobel ödülüne layık görülmüştür. Bu ödül aynı dönemlerde MR üzerinde benzer çalışmaları bulunan ve kendisinin de bu ödülü paylaşması gerektiği düşünülen Ermeni asıllı Amerikalı fizikçi Raymond Vahan Damadian'ın (Damatyan) sert eleştirilerinin hedefi olmuştur.