Tiltrering

Et eksempel på dette er historien om høytemperatursuperledere som ble oppdaget i 1986, se nedenfor - Analyse av superledende materialer.

Analyse av superledende molekyler.

De første høytemperatursuperledere var en gruppe oksider av yttrium, barium og kopper med formelen YBa₂Cu₃O_x. Verdien av x (antall O i molekylet) vil avhenge av oksidasjonstrinnet til kopperatomene, spesielt om det er Cu³⁺ i molekylet.

Den beste måten å bestemme koppermengden på i dette noe uvanlige oksidasjonstrinnet har vist seg å være en klassisk titreringsmetode som kalles jodometri og ble innført av Robert Bunsen (riktig, han med Bunsenbrenneren) i 1853. Jodometri baserer seg på at både Cu²⁺ og Cu³⁺ oksiderer jodioner (I^-) til jod (I₂) og blir selv redusert til Cu⁺. Hvor mye jod som blir dannet bestemmes så ved å titrere med natriumtiosulfat. Hvis den nøyaktige konsentrasjonen av tiosulfatløsningen er kjent, er det mulig å beregne oksidasjonstrinnet for kopper i den opprinnelige prøven, det vil si at x kan bestemmes.

Oksygenmengden (O) i oksidet kan også bestemmes ved en tradisjonell termogravimetrisk analyse. Her blir YBa₂Cu₃O_x-prøven varmet opp i en strøm av hydrogengass som reduserer prøven til en blanding av yttriumoksid (Y₂O₃), bariumoksid (BaO) og metallisk kopper. Antallet O (x) i opprinnelig prøve blir så beregnet ut fra prosent massetap.

Forbrenningsanalyser

En analytiker arbeider med en ICP-MS.

En annen klassisk metode som fremdeles brukes mye, er forbrenningsanalyser der karbon, nitrogen, hydrogen og svovel i en forbindelse kan bestemmes ved å forbrenne den i en strøm av oksygen og deretter måle mengdene av de produktene som dannes. Denne teknikken brukes til å bekrefte summeformelen av en organisk forbindelse og er som oftest automatisert og utføres av spesiallaboratorier.

De fysikalske metodenes inntog

De mest spektakulære fremskrittene i analytisk kjemi har kommet etter oppdagelsen av nye fysikalske fenomener. Et eksempel med lang forhistorie er atomspektroskopi. På attenhundretallet oppdaget forskere at når enkelte stoffer ble oppvarmet i flamme, sendte de ut lys med farger som var karakteristiske for noen av de grunnstoffene stoffet var laget av. Et kjent eksempel er det gule lyset vi får når stoffer som inneholder natrium brennes i en flamme. Dette kan demonstreres ved for eksempel å slippe litt NaCl (koksalt) i en gassflamme. I analytisk kjemi har denne oppdagelsen blitt brukt til å bygge ulike varianter av spektroskopiske instrumenter. Enkelt sagt blir det utsendte lyset sendt gjennom et prisme, og i prismet blir lyset splittet opp i flere bånd (eller linjer) som danner et karakteristisk mønster, en form for fingeravtrykk for de ulike grunnstoffene. Ved å ta opp slike linjespektra av en ukjent forbindelse kan det bestemmes hvilke grunnstoffer det ukjente stoffet er bygd opp av. Dette kalles en kvalitativ analyse, det vil si at en bestemmer hva som er tilstede. Disse metodene ble opprinnelig laget for kvalitativ analyse, men etter hvert har de blitt videreutviklet for å brukes i kvantitative analyser, det vil si å bestemme hvor mye som er til stede av et stoff. Kombinert med moderne teknologi og elektronikk gir dette instrumenter som er ekstremt følsomme og nøyaktige. Det er for eksempel mulig å påvise så lite som ca. 0,08 μg magnesium i en liter løsning (1 μg = 10^-6 g = 0,000001 g) dersom en prøve varmes opp i et induktivt koblet plasma (ICP) i stedet for en vanlig gassflamme. ICP er en strøm av argongass som varmes opp til ca. 10 000 °C ved hjelp av en radiofrekvensgenerator.

Svært små stoffmengder kan også måles ved hjelp av elektrokjemi. Her vil spenningen på en elektrode bli påvirket av konsentrasjonen av ioner i omgivelsene. Spenningen på en såkalt ioneselektiv elektrode avhenger bare av konsentrasjonen av ioner av dette ene grunnstoffet. På denne måten blir det lett å måle konsentrasjonen av dette ionet selv i nærvær av andre ioner. Den kritiske delen av en ioneselektiv elektrode er en membran som tillater diffusjon kun av det aktuelle ionet. Ved måling av fluoridioner (for eksempel i tannskyllevæsker) brukes det en membran av lantanfluorid (LaF₃) dopet med europiumfluorid (EuF₂). Ved hjelp av en slik fluorselektiv elektrode kan man måle fluoridioner helt ned i konsentrasjoner på ng per liter (1 ng = 10^-9 g = 0,000000001 g). En mer kjent elektrode er glasselektroden. Gjennom denne er det bare H⁺-ioner som kan diffundere, og den brukes til å måle surhetsgrad (pH) i løsninger.

Analytiker i arbeid

Analyse av blandinger

Svært ofte er målsetningen å identifisere og kvantifisere en komponent som befinner seg i blanding med en rekke andre stoffer. Et eksempel kan være å undersøke innholdet av et legemiddel i en blodprøve. For å få dette til, må først analytten (det stoffet vi ønsker å vite noe om) separeres fra de andre stoffene, ellers vil signal fra disse forstyrre signalet fra analytten. Et av de mest effektive verktøyene vi har for dette er en stor familie av teknikker som kalles
kromatografi, se egen boks – Kromatografi.

Kromotografi

Søler du litt grønn konditorfarge på en hvit t-skjorte, kan det hende at du får se kromatografi i praksis. Den grønne flekken kan spre seg utover i to atskilte ringer, en gul og en blå, noe som viser at den grønne konditorfargen er laget ved hjelp av to fargestoffer, et gult og et blått. Det var den russiske botanikeren Mikhail Semjonovitsj Tswett som i 1906 lanserte begrepet kromatografi («skrive med farger»). På en glasskolonne fylt med kalsiumkarbonatpartikler satte han en løsning med en blanding av plantepigmenter. Deretter lot han et løsemiddel renne ned gjennom kolonnen. Det viste seg da at det etter en tid oppstod bånd (ringer) på ulike steder i kolonnen, og at disse båndene hadde ulike farger. Ved å fortsette å skylle med løsemiddel, kunne han samle opp hvert enkelt farget stoff i hvert sitt beger ved utgangen av kolonnen. Det Tswett hadde fått til var å separere de ulike plantepigmentene i den opprinnelige blandingen fra hverandre. Kromatografi er i dag den mest effektive separasjonsteknikken vi har, og den anvendes i et enormt omfang.

Richard Synge (tv) og Archer Martin

Kromatografi er basert på at de stoffene som skal separeres fordeler seg kontinuerlig mellom en stasjonær fase og en mobil fase. I tidlig kromatografisk historie var den stasjonære fasen ofte et fast stoff, og den mobile fasen en væske eller en gass. I Tswetts forsøk var den stasjonære fasen kalsiumkarbonat og den mobile fasen det løsemidlet han brukte til å vaske ut (eluere) de ulike plantepigmentene. Hvis vi antar at vi har en blanding som bare består av to stoffer (X og Y) og at X adsorberes sterkere enn Y til kalsiumkarbonat, så vil X bruke lengre tid enn Y gjennom kolonnen, og det blir enkelt å separere disse to stoffene fra hverandre.

I dag trenger ikke den stasjonære fasen nødvendigvis å være et fast stoff. En viktig videreutvikling av kromatografien kom da de to britiske kjemikerne Archer Martin og Richard Synge utviklet det vi kaller fordelingskromatografi. Her er den stasjonære fasen en væske som blir holdt på plass inne i kolonnen ved at den er lagt som en tynn film på overflaten av små partikler. Utviklingen av fordelings-kromatografien gjorde blant annet at det ble enklere å separere ulike aminosyrer fra hverandre. Martin og Synge fikk i 1952 Nobelprisen i kjemi for å ha utviklet fordelingskromatografien.

GC for sensoriske analyser

En svært stor del av alle kromatografiske separasjoner utføres i dag med to hovedteknikker. Den ene er såkalt HPLC (High Performance Liquid Chromatography ≈ Høyeffektiv væskekromatografi). I et slikt system pakkes kromatografikolonnen med svært små partikler (typisk diameter = 5 μm). De små partiklene gir gode separasjoner selv mellom komponenter som har svært like fysikalske og kjemiske egenskaper. Mobilfasen vil ikke dryppe gjennom en kolonne som er pakket med slike små partikler. Et HPLC-system har derfor også kostbare pumper som kan pumpe mobilfase gjennom kolonnen selv om mottrykket er høyt (opp til ca. 450 atm.). HPLC brukes mye til analyse av legemidler og legemiddelmetabolitter.

Den andre hovedmetoden er gasskromatografi (GC). Her er den mobile fasen en inert gass (He og N₂ er vanlige å bruke). Kolonnen i GC er et langt rør (2–60 m) som er kveilet i en bunt for å få plass i selve GC-instrumentet. Kolonnen er plassert i en ovn der temperaturen i en standard GC kan varieres mellom ca. 50 °C og opp til ca. 300 °C. Ved lav temperatur vil komponenter med lavt kokepunkt vandre med passende hastighet gjennom kolonnen, mens komponenter med høyt kokepunkt sitter fast ved inngangen av kolonnen. Etter en tid kan så temperaturen på kolonnen økes, og nå vil også de mindre flyktige forbindelsene vandre gjennom kolonnen. GC er svært viktig i analyse av aromastoffer, olje- og gassanalyser og i analyse av luftbårne forurensninger.

Litt grovt kan en si at GC brukes til å separere stoffer som kan gå over i gassfase ved temperaturer opp til ca. 300 °C, og som ikke er termolabile, mens HPLC brukes til analyse av forbindelser som har så høy molekylvekt eller er så polare at det er vanskelig å få dem over i gassfase ved de betingelser som kan oppnås i en GC.

En nødvendig del av de fleste kromatografiske systemer er en såkalt detektor som registrerer komponentene etter hvert som de kommer ut av kolonnen. Responsen fra
detektoren er proporsjonal med mengden av hver enkelt komponent som kommer ut fra separasjonskolonnen. Kromatografiske instrumenter er derfor også viktige for kvantitative analyser, ikke bare for å separere ulike stoffer fra hverandre. I dag er kromatografiske instrumenter ofte direkte koblet til et annet analyseinstrument, som for eksempel et massespektrometer (MS). Kombinasjonen LCMS og GC-MS finnes nå i de aller fleste analyselaboratorier.

Kjemiske forbindelsers struktur

Bryting av lys.

De eksemplene på kjemisk analyse som er omtalt så langt gir ingen informasjon om kjemisk struktur. Det er ikke mulig å finne ut noe om funksjonelle grupper som for eksempel -OH gruppen i etanol (CH₃CH₂OH) eller det tredimensjonale arrangementet av atomene som stoffet er bygd opp av. Samtidig er det lett å forstå hvor avgjørende viktig det er i kjemien å kjenne strukturen til et molekyl. Dette gjelder både de enkleste molekylene med et fåtall atomer til de mest intrikate biomolekyler som er bygd opp av tusener av atomer.

Kjemikere anvender et antall ulike metoder for å bestemme strukturen til de kjemiske forbindelsene. Mange av disse er basert på interaksjon mellom substans og elektromagnetisk stråling, se tabell 1, eller interaksjon med partikler som elektroner eller nøytroner. Hver enkelt teknikk gir en type informasjon og andre teknikker gir andre typer av informasjon. Det er sjelden at en teknikk alene kan gi sikker informasjon hvis stoffet er helt ukjent. Er stoffet kjent fra før, kan en enkelt teknikk noen ganger være nok til å bekrefte at dette stoffet er tilstede i et prøvemateriale. Enkelte teknikker er rettet mot å studere spesielle typer molekyler, for eksempel krystaller. Her omtaler vi kort noen av de viktigste metodene.

Tabell 1. Analytiske teknikker som bruker elektromagnetisk stråling.

Røntgen-, nøytron- og elektrondiffraksjon

Professor Edward Hough ved Universitetet i Tromsø

Den enkleste interaksjonen med røntgenstråler er med substanser i krystallinsk form via et fenomen som kalles diffraksjon. En krystall består av repeterte arrangementer av atomer, ioner eller molekyler i et gigantisk tredimensjonalt nettverk, som kan betraktes som regulære, orienterte flater bygd opp av like enheter. Når røntgenstråler treffer krystallen, vil de reflekteres fra rekken av påfølgende plan påen slik måte at bølgene vil forstyrre eller forsterke hverandre periodisk. Ut fra det mønsteret som observeres kan arrangementet av atomer i krystallen beregnes ved hjelp av Braggs lov. Dette er en berømt sammenheng som ble oppdaget i 1912 av far og sønn, William og Lawrence Bragg.

Figuren over viser hva som skjer når vi sender røntgenstråler mot overflaten av en krystall som består av et regelmessig gitter av atomer eller ioner. Røntgenstrålene vil oppfatte hvert lag av atomer eller ioner som et «speil» og bli reflektert ut fra overflaten. Vinkelen mellom røntgenstrålingens retning ut fra krystallens overflate vil være den samme som vinkelen mellom den innkommende strålingen og overflaten. Noe av røntgenstrålingen vil reflekteres fra det ytterste laget av atomer, en annen del fra det neste laget av atomer. Den strålingen som blir reflektert fra det andre laget av atomer, vil være forsinket i forhold til den strålingen som ble reflektert fra det ytterste laget. Hvis de strålene som er reflektert ut fra krystallen ikke er i fase med hverandre, vil de helt eller delvis nulle ut hverandre, og man registrerer lite eller ingen røntgenstråling (destruktiv interferens). Men hvis røntgenstrålingen fra det andre laget er forsinket med et helt antall bølgelengder vil man registrere intens røntgenstråling. Det har oppstått konstruktiv interferens.

Eksperimentet startes ved å sende inn røntgenstrålingen parallelt med overflaten av krystallen. Deretter dreies krystallen slik at vinkelen θ gradvis øker, og med dette vil den reflekterte strålen fra det andre laget av atomer ankomme lengre og lengre etter den strålen som reflekteres fra det ytterste laget. Ved en bestemt vinkel θ vil strålingen fra det andre laget av atomer være forsinket med nøyaktig en bølgelengde i forhold til den strålingen som er reflektert fra det ytterste laget. Ved denne vinkelen vil det oppstå konstruktiv interferens, og strålingen fra det andre laget er da forsinket med en lengde tilsvarende strekningen ABC (se figur).

Ved bruk av enkel trigonometri på trianglene OAB og OAC ser vi at ABC = 2dsinθ,og for at de reflekterte røntgenstrålene da skal være i fase, må: nλ = 2dsinθ

Ligningen over er Braggs lov og den gjør det mulig å beregne avstanden d mellom lagene av atomer eller ioner i krystalllen. En forutsetning er selvfølgelig at vi kjenner bølgelengden for røntgenstrålingen.

a) Diffraksjonsmønsteret av urea konverteres matematisk til... b) ...en elektrontetthetsfordeling som indikerer... c) ...posisjonene til atomene.

Opptak av diffraksjonsmønstre skjer ved at krystallen roteres slik at røntgenstrålene treffer den fra alle vinkler og diffraksjonsmønstre fra alle plan kan observeres og analyseres. Siden røntgenstråling er en form for elektromagnetisk stråling, reagerer den egentlig med «skyene» av elektroner rundt hvert enkelt atom, så det som observeres er egentlig fordelingen av elektrontettheten i stoffet. Beregning av aktuell struktur ut fra de observerte mønstrene er ekstremt komplisert og krever mange regnetrinn. Men de siste årenes utvikling av regnekraft i form av datamaskiner og nye teknikker har gjort at røntgenanalyser i dag kan utføres raskt selv med relativt komplekse strukturer.

Røntgendiffraksjon, også kalt røntgenkrystallografi, gir det mest komplette strukturelle bildet av et molekyl, og de aller fleste forskningslaboratorier har et eller flere slike instrumenter. Analysen krever vanligvis en noenlunde stor enkeltkrystall av stoffet, men i noen tilfeller er det mulig å bestemme strukturen til et stoff i pulverform.

Røntgenkrystallografi har etterhvert blitt et slagkraftig verktøy i molekylærbiologien (se kapittel 10 – Livets Kjemi). Det brukes rutinemessig og i stort omfang til å kartlegge store tredimensjonale strukturer som inneholder tusener av atomer, som proteiner, RNA, DNA og andre komplekse polymerforbindelser. Også molekylstrukturen til svære ansamlinger av molekyler, for eksempel virus, har blitt analysert med intense røntgenkilder som avgir såkalt synkrotronstråling. Denne intense strålingen produseres i store ringformede maskiner der elektroner sirkulerer med nær lysets hastighet. Samtidig sender de ut (emitterer) ekstremt intens elektromagnetisk stråling av alle bølgelengder. Veldig smale røntgenstråler med nøyaktig bølgelengde kan «tappes» ved stasjoner rundt ringen og brukes til mange ulike kjemiske analyser. Det finns bare et fåtall slike maskiner i verden. En av dem befinner seg i Grenoble i Frankrike, og her har mange norske forskere foretatt analyser av egne forbindelser.

En beslektet type teknikk for strukturanalyse er nøytrondiffraksjon, også kalt nøytron-spredning. Også her kan det som skjer beskrives ved hjelp av Braggs lov. Selv om nøytroner er subatomære partikler (finnes i atomkjernen), så kan de også i følge kvantemekanikken opptre som bølger og med bølgelengder som svarer til interatomære og intermolekylære avstander. 

Figur 1(a). En radial fordelingskurve for PBrF2S, hvor brom-, fluor- og svovelatomene alle er bundet til fosforatomet, gir de ulike interatomære avstandene.

Nøytroner, som er elektrisk nøytrale, vil passere uhindret gjennom «elektronskyene» rundt et atom og vekselvirke med selve atomkjernen. Det fører igjen til at informasjonen de gir om atomposisjonene skiller seg litt fra det en kan få fra røntgenkrystallografi. Spesielt blir det enklere å bestemme posisjonen til hydrogenatomene, som vanligvis ikke har tilstrekkelig elektrontetthet til å registreres med røntgenkrystallografi. Det er også mulig å se forskjell på bestemte hydrogenposisjoner i et molekyl ved å sette inn hydrogenisotopen deuterium, siden de to isotopene sprer nøytroner på forskjellig måte.

Siden nøytronstråling blir produsert fra høyenergikilder, kjernereaktorer eller partikkelakseleratorer, og i tillegg krever store krystaller, er denne teknikken mye mindre brukt enn røntgenkrystallografi. Elektroner kan også oppfattes som bølger som kan vekselvirke med molekyler på omtrent samme måte som røntgenstråling.

Figur 1(b). PBrF2S-molekylet hvor de interatomære avstandene er markert.

Dersom elektroner akselereres over en spenning på 50 000 volt vil de ha en bølgelengde som kan brukes til å bestemme interatomære avstander. Siden elektroner er ladde partikler, vil de ikke kunne trenge langt inn i faste stoffer eller væsker, men elektrondiffraksjon kan være godt egnet til analyse av overflater.

Samtidig kan elektrondiffraksjon gi veldig detaljert informasjon om strukturen til stoffer i gassfase. Hvert atom i gassmolekylet sprer den innfallende elektronstrålingen, de interfererer igjen med elektroner spredt av andre atomer i molekylet og det kan registreres et komplisert interferensmønster. Dette brukes som grunnlag for å beregne en såkalt «radial fordelingskurve» som gir informasjon om interatomære avstander. Ett eksempel er vist i figur 1.

Ultrafiolett og synlig lys-spektroskopi

Figur 2. UV-spekteret av kaffein Vekselvirkningen mellom molekyler og lys i det ultrafiolette og synlige området er det igjen elektronnivåene i molekylet som blir påvirket. Dette kan brukes til identifikasjon av stoffer, men også til kvantitative analyser, siden lysabsorpsjonen er direkte proporsjonal med konsentrasjonen av det aktuelle stoffet i en løsning. Figur 2 viser et typisk ultrafiolett spekter.

Analytikere i arbeid

Ultrafiolett/synlig lys spektroskopi kan detektere svært lave konsentrasjoner av forbindelser dersom forbindelsene absorberer lys sterkt. Et eksempel på dette er komplekset som dannes mellom jern og o-fenantrolin. Dette gir en intenst farget løsning som kan brukes til å bestemme mengden av jern i vannprøver.

Spektra som er tatt opp ved hjelp av ultrafiolett lys gir informasjon som viser at molekylet inneholder bestemte funksjonelle grupper, kromoforer, siden ulike kromoforer absorberer lys ved ulike bølgelengder. Kromoforer er ofte kjemiske grupper med dobbeltbindinger, og finnes ofte i organiske forbindelser. En noe mer avansert bruk av UV/synlig lys-spektroskopi er studiet av såkalte metallkoordinasjonsforbindelser, der posisjonen og intensititen til de spektrale båndene kan gi detaljert informasjon om elektronstrukturen i molekylet.

Infrarød spektroskopi

Det er den infrarøde delen av spekteret som kan gi oss mest informasjon om funksjonelle grupper og kjemiske bindinger. Atomene i et molekyl er i konstant vibrerende bevegelse bort fra og imot hverandre, og nivåene i vibrasjonsenergien svarer til energien i den infrarøde delen av spekteret. Den infrarøde delen av spekteret ligger i frekvensområdet 1 x 10¹⁴ s^-1 til 5 x 10¹² s^-1. Dette svarer til bølgetall (wavenumbers = antall bølger per cm) fra 4000 til 200 cm^-1, den vanlige enheten å bruke i infrarød spektroskopi.

Energien i en vibrasjon mellom to atomer i et molekyl er avhengig av hva slags binding det er mellom dem og av massen til de individuelle atomene. Ved opptak av IR-spektra vil vi bare få en interaksjon når IR-strålingens energi er lik den energien som er forbundet med en bestemt vibrasjon. På denne måten kan IR-spektroskopi identifisere bestemte funksjonelle grupper i et molekyl. I organisk kjemi er dette selvfølgelig til stor nytte, spesielt hvis molekylet inneholder funksjonelle grupper som gir intense bånd. Et eksempel er karbonylgruppen (C=O) som gir et intenst bånd ved ca. 1700 cm^-1, figur 3.

Figur 3. Et infrarødt spekter av etyletanoat som viser et C=O-strekk mellom 1700-1800 cm-1.

IR-spektra opptas tradisjonelt ved å scanne frekvensområdet. Metoden ble revolusjonert etter utviklingen av IR-spektrometre med fouriertransformasjon, som gjør at spektra kan tas opp mye raskere. Fouriertransformasjon er også nyttig i mange andre analyseteknikker – se egen boks – Fourier Transform – et nyttig matematisk triks.

IR-spektroskopi er nyttig for kvalitative og strukturelle analyser, men blir lite brukt til kvantitative analyser.

Et moderne FT-IR-spektrometer Fourier transform – et nyttig matematisk triks

Vanligvis presenteres IR-spektra som en graf med prosentvis transmisjon på den loddrette
aksen og bølgetall på den vannrette. Figur 3 viser et typisk IR-spekter. Tidligere ble IR-spektra tatt opp ved å splitte den infrarøde strålingen fra IR-kilden opp i de enkelte bølgetall med et diffraksjonsgitter eller et prisme. Ved å rotere gitteret kunne de enkelte bølgelengdene etter tur sendes gjennom prøven, og en detektor registrerte så hvor mye stråling av de ulike frekvensene som slapp gjennom prøven. Dette var en tidkrevende prosess siden detektoren en stor del av tiden var opptatt med å registrere transmisjon i et bølgetallsområde der det ikke var absorbans i det hele tatt.

Et tradisjonalt dobbeltstråle IR-instrument. Instrumentet sammenlikner intensiteten av referansestrålen med den som passerer gjennom prøven.

I moderne instrumenter er diffraksjonsgitteret kuttet ut. I stedet sendes en puls av IR-stråling mot prøven. Denne pulsen inneholder stråling over hele det aktuelle bølgetallsområdet. Etter å ha passert gjennom prøven, vil elektromagnetiske bølger med ulik frekvens interferere med hverandre (de adderes til hverandre eller nuller hverandre helt eller delvis ut, avhengig av om de er i fase eller ute av fase). Detektoren registrerer interferensmønsteret, og dette inneholder all informasjon som er nødvendig for å lage et standard IR-spekter. For å få til dette må det anvendes en datamaskin. Det matematiske grunnlaget for dette ble utviklet av den franske matematikeren Jean-Baptiste Fourier.

Et Fourier transform IR-instrument.

Fouriertransformerende (FT) instrumenter har også den fordelen at de tar opp spektra raskt. I tillegg kommer det at dersom signalene er svake, kan forholdet mellom signal og støy forbedres ved at det sendes en rekke gjentatte pulser gjennom prøven og summen av alle signalene inn til detektoren kan så brukes til å konstruere et godt IRspekter. På den måten vil FT-IR-instrumenter være mer følsomme enn tradisjonelle IR-instrumenter.

Fouriertransformasjon brukes også i opptak av UV-VISspektra, mikrobølgespektroskopi, massespektrometri og NMR-spektroskopi.

Mikrobølgespektroskopi.

I tillegg til vibrasjon i kjemiske bindinger kan funksjonelle grupper også rotere rundt en binding, spesielt hvis forbindelsen er i gass- eller væskefase. Energinivåene som er forbundet med dette ligger i det samme området som stråling i mikrobølgeområdet. Teknikken er best egnet for molekyler i gassfase der ulike energinivåer er veldefinerte og avstanden mellom energinivåene er avhengig av molekylets treghetsmoment – en egenskap som måler hvordan massen i et molekyl er fordelt. Molekylet som helhet må ha et dipolmoment for at det skal være mulig å ta opp et mikrobølgespekter. Et molekyl som har et dipolmoment har en asymmetrisk fordeling av elektrisk ladning. På grunn av tetraederstrukturen har ikke gassen metan noe dipolmoment, selv om hver enkelt C-H-binding har det. Den romlige strukturen av metan er symmetrisk, og denne symmetrien «nuller» ut de enkelte dipolmomentene. Mikrobølgespektroskopi gir nøyaktig informasjon om lengden av de kjemiske bindingene, og ut fra dette informasjon om molekylets struktur på forbindelser med dipolmoment.

Massespektrometri

Forskerne Einar Solheim og Kari Fladmark er sentrale i oppbyggingen av et nasjonalt MS-laboratorium for proteinstudier.

Massespektrometri er et av de kraftigste verktøyene vi har både for strukturbestemmelse og kvantitative analyser. En vanlig måte å utføre massespektrometri på er å overføre molekyler til gassfase ved hjelp av varme og vakuum. Dette gjøres i en del av instrumentet som kalles ionekilden og her blir gassmolekylene bombardert med en stråle av elektroner. Dette bryter opp molekylene i mindre, ladde fragmenter som blir akselerert ut av ionekilden og inn i selve masseseparatoren som separerer ioner etter forholdet mellom masse og ladning. Masseseparatoren kan være bygd opp etter mange ulike prinsipper, men er ofte basert på separasjon ved hjelp av elektriske eller magnetiske felt. Det er en nøye sammenheng mellom molekylets struktur og hvilke fragmenter som dannes. På denne måten vil hver enkelt forbindelse ha sitt særegne fragmentmønster som det deler med ingen eller veldig få andre forbindelser. Dette er en av grunnene til at massespektrometri kan brukes til sikker påvisning av et stoff i en ukjent prøve. Ved analyse av ukjente forbindelser kan man studere dette mønsteret og få gode indikasjoner om molekylets struktur. Det finnes også dataprogrammer som kan hjelpe til med strukturbestemmelsen.molekylvekten til proteinet kan beregnes. En annen måte å ionisere forbindelser med høy molekylvekt på er med laserdesorpsjon. Her blir for eksempel et hydrolyseprodukt av et protein blandet med en matriks av en lavmolekylær organisk forbindelse. Denne blandingen blir lagt på en liten plate som settes inn i massespektrometret, og platen blir bombardert med pulser av laserstråling. Matriksen som peptidblandingen er blandet med har den egenskapen at den absorberer lys av den bølgelengden som laseren sender ut. Denne energien blir så fordelt ut til peptidene, som dermed kastes ut fra matriksplaten som ladde substanser og separeres og registreres av masseseparatoren. En hydrolyseblanding av et bestemt protein vil alltid gi det samme peptidmønsteret. Det er bygd opp store databaser over slike mønstre, og ved å søke i disse kan man finne ut om et protein en har isolert er kjent fra før. Disse såkalte MALDI-ionekildene (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization) er ofte kombinert med såkalte flyvetidsmasseseparatorer (TOF – Time Of Flight). Her foretas det en nøyaktig måling av tiden det tar for et ion å fly gjennom masseseparatoren. Tunge ioner bruker lang tid og lettere ioner bruker kortere tid. Nobelprisen i kjemi for 2002 ble tildelt to forskere, John B. Fenn og Koichi Tanaka, som har bidratt til utviklingen av disse nye ioniseringsteknikkene.

John B. Fenn (t.v.) og Koichi Tanaka.

Tidligere var massespektrometri stort sett avgrenset til analyse av forbindelser som det var mulig å få over i gassfase. Veldig polare forbindelser eller forbindelser med høy molekylvekt lot seg vanskelig analysere med massespektrometri. I den senere tid har bruk av massespektrometri økt svært raskt. Dette skyldes at det er funnet opp teknikker som kan lage ioner av store molekyler, som for eksempel peptider og proteiner, uten at de nedbrytes i løpet av denne prosesseen, eller en kan velge en kontrollert oppbryting i noe mindre fragmenter. En måte å gjøre dette på er ved såkalt elektrospray-ionisering. Her blir en løsning av det aktuelle stoffet pumpet inn gjennom et kapillærrør som det er lagt en spenning på (2,5–5 kV). Dette skaper en sky av bitte små dråper med ladning der løsningsmidlet etter hvert damper av og etterlater for eksempel et protein med mange ladninger. Forholdet mellom masse og ladning blir registrert ogmolekylvekten til proteinet kan beregnes. En annen måte å ionisere forbindelser med høy molekylvekt på er med laserdesorpsjon. Her blir for eksempel et hydrolyseprodukt av et protein blandet med en matriks av en lavmolekylær organisk forbindelse. Denne blandingen blir lagt på en liten plate som settes inn i massespektrometret, og platen blir bombardert med pulser av laserstråling. Matriksen som peptidblandingen er blandet med har den egenskapen at den absorberer lys av den bølgelengden som laseren sender ut. Denne energien blir så fordelt ut til peptidene, som dermed kastes ut fra matriksplaten som ladde substanser og separeres og registreres av masseseparatoren. En hydrolyseblanding av et bestemt protein vil alltid gi det samme peptidmønsteret. Det er bygd opp store databaser over slike mønstre, og ved å søke i disse kan man finne ut om et protein en har isolert er kjent fra før. Disse såkalte MALDI-ionekildene (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization) er ofte kombinert med såkalte flyvetidsmasseseparatorer (TOF – Time Of Flight). Her foretas det en nøyaktig måling av tiden det tar for et ion å fly gjennom masseseparatoren. Tunge ioner bruker lang tid og lettere ioner bruker kortere tid. Nobelprisen i kjemi for 2002 ble tildelt to forskere, John B. Fenn og Koichi Tanaka, som har bidratt til utviklingen av disse nye ioniseringsteknikkene.

NMR er avhengig av de magnetiske egenskapene til visse atomkjerner og den innvirkningen denne har på det kjemiske miljøet rundt kjernene. Fra 1960-tallet har organisk-kjemikere brukt NMR til å strukturbestemme relativt enkle kjemiske forbindelser. Men teknikken har utviklet seg, og i dag kan den anvendes på komplekse strukturer som for eksempel store biologiske molekyler, komplekse faste stoffer og levende vev. NMR brukes til å analysere nettverket av kjemiske bindinger i et molekyl, identifisere atomer som ligger nær hverandre i rommet og til å studere de komplekse bevegelsene i et molekyl over tid. NMR kan anvendes på faste stoffer, flytende krystaller, væsker og løsninger. Alt dette gjør at NMR har en unik posisjon i analytisk kjemi.

Bakgrunnen for NMR

Professor John Sigurd Svendsen ved Universitetet i Tromsø i arbeid på et 600 MHz NMR-instrument.

Som navnet antyder måler NMR fenomener i atomkjernen. Atomkjerner har en egenskap som kalles spinn og som kan gi kjernen magnetiske egenskaper. Atomkjerner med et odde antall protoner og nøytroner vil ha en spinnverdi som gjør at de kan oppfattes som bitte små magnetiske staver. Eksempler på dette er ¹H, ¹³C, ¹⁹F og ³¹P.

Når molekyler som inneholder disse atomene blir utsatt for et ytre magnetisk felt, vil disse «stavmagnetene» rette seg etter magnetfeltet. Noen vil ligge parallelt med det ytre feltet og noen vil ligge i motsatt retning (antiparallelt). Det vil alltid være en liten overvekt av stavmagneter som legger seg parallelt med det ytre feltet. Følgelig vil magnetfeltet magnetisere prøven. Dersom en slik magnetisert prøve blir utsatt for elektromagnetisk stråling i  radiofrekvensområdet, kan noen av de parallelle stavene flippe over til antiparallell orientering. Energien som skal til for å få dette til (og dermed hvilken radiofrekvens) vil være avhengig av magnetfeltets styrke og kjernetypen, men også av omgivelsene rundt den aktuelle kjernen. Den frekvensen som gir interaksjon kalles resonansfrekvensen.

De første NMR-eksperimentene ble utført av fysikere like etter den andre verdenskrigen. De håpet å kunne måle det magnetiske momentet for ulike atomkjerner, men fikk et stort problem da de fikk ulike verdier for like kjerner avhengig av hvilke kjemiske forbindelser de brukte. Etter hvert skjønte de at atomkjernene ble skjermet mot det ytre feltet av elektronene som også har spinn og et magnetisk moment. Eksperimentene kunne derfor ikke måle magnetisk moment i atomkjernene, men samtidig ga de informasjon om elektronene rundt kjernene, og det er jo elektronene som bestemmer de kjemiske egenskapene. NMR- teknikken ble derfor overtatt av kjemikerne og ble etter hvert kanskje det viktigste verktøyet for å innhente opplysninger om de kjemiske forbindelsenes struktur.

Figur 4. Figur 4. De små

Kjemisk skift

Fordelingen av elektroner påvirker resonansfrekvensen for en bestemt magnetisk atomkjerne. Hvis resonansfrekvensen for alle H-atomer i et molekyl var nøyaktig den samme, ville vi bare få en eneste topp i et NMR-spekter og ingen informasjon om molekylets struktur. Men elektronene i omgivelsene har sitt eget magnetiske felt, og dette har vanligvis motsatt retning av det ytre. Dette skjermer atomkjernen som da vil registrere et felt som er litt forskjellig fra det ytre feltet. Fordi det eksakte elektronmiljøet vil variere fra proton til proton i et molekyl, vil de ulike protonene i molekylet ha ulik resonansfrekvens. Det blir på denne måten en sammenheng mellom struktur og ved hvilke frekvenser det registreres resonans.

Et NMR-spekter kan tas opp for flere ulike magnetiske atomkjerner, men spektra basert på ulike atomkjerner blir tatt opp hver for seg. For eksempel blir protonspektra (¹H) og karbon-13 (¹³C) for en organisk forbindelse tatt opp i to atskilte forsøk. Et NMR-spekter består av en serie topper (se figur 5) som svarer til en bestemt atomkjerne med ulikt elektronnaboskap. Frekvensen for hver topp betegnes som kjemisk skift, d.v.s. forskyvningen i spekteret i forhold til en bestemt referansesubstans. For proton-NMR brukes tetrametylsilan, TMS (Si(CH₃)₄) som referanse. Prøveløsningen tilsettes et lite kvantum av referansen før NMR-spekteret tas opp. Kjemisk skift representeres ved symbolet δ og måles i enheten «parts per million» (ppm) fra TMS-toppen.

Figur 5. Proton-NMR-spekteret av etanol og vann viser hydrogenkjerner i ulike omgivelser i de to forbindelsene. (c) Det nederste spekteret viser et høyoppløsnings proton-NMR-spekter av etanol, og hvordan linjene splittes ved kobling mellom ulike hydrogenkjerner.Til høyre,Tabell 2. Typiske verdier for kjemisk skift (δ) for protoner.

Intensiteten (arealet under toppen) av hver enkelt linje i et NMR-spekter er proporsjonal med antall kjerner som har identisk kjemisk miljø. For eksempel vil et proton-NMRspekter
av etanol (CH₃CH₂OH) gi tre signaler, ett fra de tre hydrogenatomene i metylgruppen (CH₃-), ett fra de to hydrogenatomene i -CH₂- og ett fra det ene protonet i OH-gruppen.
Intensitetsfordelingen vil være 3:2:1. Analyse av vann vil gi bare én topp siden begge protonene er bundet til oksygen med identiske bindinger (se figur 5). Observerte
kjemiske skift kan da brukes til å identifisere typer av protoner (se tabell 2) og mengdeforholdet mellom de ulike typene.

 Spinn-spinn-kobling

Figur 5c viser et ¹H-NMR-spekter av etanol med høy oppløsning. Dette viser at -CH₃ og -CH₂- -signalene ikke er enkeltlinjer, men er splittet i henholdsvis 3 og 4 linjer. Dette kommer av at det blir en kobling mellom hydrogenkjernene slik at det magnetfeltet et proton vil oppleve avhenger av om nærliggende protoner ligger parallelt eller antiparallelt med det ytre feltet. Hvis vi tenker oss at vi studerer et bestemt proton og at det har et enkelt annet proton i nærheten som kan gi opphav til kobling, så vil vi få signal ved én frekvens når dette andre protonet ligger parallelt og signal for «vårt» proton ved en annen frekvens når det andre ligger antiparallelt orientert. På denne måten blir signalet for et proton til to linjer hvis det bare kan koble med ett annet proton. Kan det koble med to, vil signalet bli splittet opp i tre linjer, kan det koble med tre andre, får vi fire linjer. Dette kalles ofte for n+1-regelen.

Figur 6. De mulige orienteringene av spinn for -CH2 - -protonene slik de «oppleves» av -CH3 -protonene i etanol. De splitter CH3-toppen i tre topper med høydeforhold 1:2:1.

For eksempel vil ikke de tre protonene i -CH₃ -gruppen i etanol ha noen slik effekt på hverandre, men de to protonene i -CH₂- -gruppen vil koble med -CH₃ -protonene og gi opphav til tre linjer i -CH₃-delen av spekteret. De tre linjene forklares da med at det er tre mulige tilstander for protonene i -CH₂- -gruppen: begge ligger parallelt, begge ligger antiparallelt eller et proton ligger parallelt og det andre antiparallelt med feltet. Ved å studere -CH₃ -delen av spektret i mer detalj, ser en at den midterste linjen er dobbelt så intens som de to andre. Dette kan man forstå ved å gå tilbake til orienteringen av de to protonene i -CH₂- -gruppen. Her kan begge ligge parallelt med feltet. Det kan bare skje på en måte. Det samme gjelder for antiparallell orientering. Men orienteringen med et antiparallelt og et parallelt proton kan skje på to måter. I det ene tilfellet er det ene protonet parallelt og det andre antiparallelt, men selvsagt kan rollene for disse to byttes om: det som var parallelt orientert går over til å være antiparallelt og det som var antiparallelt går over til å være parallelt orientert. Dette blir derfor en tilstand som vil være omtrent dobbelt så hyppig som hvis begge protonene er parallelt orientert eller begge er antiparallelt orientert (se figur 6).

Etter oppdagelsen av kjemisk skift, skjønte kjemikere raskt hvilke muligheter NMR ga dem i strukturanalyse av kjemiske forbindelser. Men selv de mest optimistiske pionerene kunne ikke se alle mulighetene som ligger innebygd i NMR-teknikken.

Først i 1953 ble NMR for alvor brukt til problemløsning i strukturkjemien. Den var særlig nyttig som et verktøy til å skille mellom strukturer med samme summeformel (isomerer). Figur 7 viser et eksempel på dette med grove NMR-spektra av propanon og propanal, begge med summeformelen C₃H₆O.

Propanon gir bare en topp siden alle protonene er identiske. Propanol har tre topper i firholdet 3:2:1. De representerer henholdsvis -CH3-,-CH2, og -CHO-protonene

Teknologien bak NMR

Ved hjelp av moderne datamaskiner Fouriertransformeres de kompliserte rådataene fra et NMR-spektrometer til et standard spekter i løpet av sekunder. Går vi tilbake til 1960-tallet, var omdanning  av rådata en atskillig mer tidkrevende prosess. Digitale data ble skrevet ut på papirstrimler som ble sendt til IBM. Der ble de overført til hullkort og deretter til magnetisk tape som ble behandlet videre i datidens kraftigste datamaskiner. Først her ble innsamlede rådata gjort om til spektra, som endelig kunne sendes tilbake til analyselaboratoriet. Dette var et sårbart system, og for eksempel kluss med tapen eller med hullkortene kunne føre til at måneders arbeid gikk tapt. Utviklingen av NMR-teknikken har hele tiden gått hånd i hånd med utviklingen av nye og kraftigere datamaskiner.

En utvikling av magnetteknologien har også vært en forutsetning for alle de ulike NMR- anvendelsene vi har i dag. Selv relativt enkle molekyler kan gi NMRspektra der enkelte linjer overlapper eller ligger veldig nær hverandre. Avstanden mellom disse linjene vil øke med magnetfeltets styrke. I tillegg vil følsomheten også øke dersom en bruker magneter med høy feltstyrke. Følgelig har det i hele NMR-historien vært et ønske om å stadig utvikle sterkere og bedre magneter.

I denne sammenhengen har utviklingen av superledende magneter vært svært viktig. Disse kjøles med flytende helium, og man får et materiale helt uten elektrisk motstand, og en magnet som gir et ekstremt sterkt magnetfelt.

De første NMR-eksperimentene ble utført ved hjelp av instrumenter med en magnetfeltstyrke på ca. 0,2 tesla. I dag er det kommersielt tilgjengelig superledende magneter med en feltstyrke på 18,8 tesla og magneter med en feltstyrke på 23 tesla er på tegnebordet.

Instrumenter med de største magnetene er svært kostbare, en må opp i tosifrede millionbeløp for å finansiere denne typen NMR-utstyr. De er også plasskrevende. Et NMR-instrument med feltstyrke 18,8 tesla vil være ca. fire meter høyt.

NMR-instrumentenes evne til god oppløsning og god følsomhet samt generell anvendbarhet er ikke bare en følge av bedre magneter. Også utvikling av bedre radiosonder, kryosonder og annen maskinvare og programvare har bidratt til moderne instrumenters yteevne.

Mer komplekse molekyler

Figur 8. NMR-spekteret av et komplekst molekyl kan være vanskelig å tolke. Hvilken topp tilhører hvilket proton? NMR er en velegnet analyseteknikk for å bestemme stukturen til biologiske molekyler. Datasimulering/grafikk: Edward Hough, Universitetet i Tromsø.

Tolking av protonspektra fra mer komplekse molekyler som for eksempel columbianetin (se figur 8) forutsetter at vi er i stand til å identifisere bestemte deler av molekylet ut fra de observerte kjemiske skift i spekteret. Dette er ikke alltid like enkelt. Vi kan føle oss sikre når et bestemt skift tilordnes protoner i metyl- (-CH₃) eller hydroksyl- (-OH) gruppen i spekteret av etanol, men hva skjer når vi for eksempel har flere metylgrupper i et molekyl? Det er lett å skjønne at jo mer komplekst et molekyl blir, desto flere linjer blir det i spekteret og det blir vanskeligere og vanskeligere å tilordne bestemte skift til bestemte deler av molekylet. Samtidig ligger informasjonen der og problemet blir hvordan en skal hente den ut.

Et annet problem med større molekyler er at det bare er plass til et begrenset antall topper i et spekter. Etter hvert som en forbindelse blir mer kompleks, vil toppene overlappe, og i noen tilfeller vil deler av spektret bestå av brede, overlappende topper. Disse er det i utgangspunktet vanskelig å få informasjon ut av.

De problemene som er nevnt her har etter hvert funnet sin løsning, og dette representerer et stort sprang i utnyttelsen av NMR. Detaljene i disse teknikkene er veldig kompliserte og eksemplene som følger er bare antydninger om hva som er mulig.

Dekobling

Ofte kan et spekter forenkles ved å fjerne en del av spinnspinn-koblingen. Figur 9a viser NMR-spektret av propan-1-ol. Her er protonene som er merket Hb koblet med de som er merket med H_a og H_c. Dette fører til at H_b-toppen splittes i fire deler av de tre H_a-protonene. Hver enkelt av disse fire toppene vil da igjen splittes til tre nye på grunn av kobling med de to H_c-protonene, og tilsammen gir dette 12 topper for de to H_b-protonene, noe som gjør spektret veldig komplisert.

Men spinn-spinn-kobling kan fjernes. Dersom man under opptak av spekteret «metter» prøven med en radiofrekvens som for eksempel tilsvarer resonansfrekvensen for H_a-protonene, vil disse «flippe» veldig raskt, og rekker ikke å orientere seg parallelt eller

antiparallelt med magnetfeltet slik at koblingseffekten fra H_a-protonene blir borte. Hbprotonene kobler nå bare med H_c-protonene og de 12 toppene «kollapser» til tre topper slik at spektret blir enklere å tolke. Samtidig gir det mer informasjon. En vil nå se hvilke grupper som kobler med andre grupper.

En utvikling av denne teknikken som gir samme type informasjon mye raskere, er en todimensjonal presentasjon av spekteret (se figur 10). Her finner vi det konvensjonelle spektret langs den diagonale aksen, mens signal utenfor denne aksen forteller om hvilke grupper som kobler med hverandre.

Disse mer avanserte teknikkene kan bare gjennomføres ved hjelp av fouriertransformasjon. Her blir informasjon tatt opp fra en serie strålingspulser og spekteret konstrueres etterpå ved hjelp av kompliserte matematiske beregninger og kraftige datamaskiner.

NMR i biokjemi

Todimensjonal NMR er også et nyttig verktøy for å analysere strukturen til komplekse biomolekyler som for eksempel proteiner. Den første strukturen som ble løst på denne måten var BUSI (Bull Seminal Plasma Inhibitor). Dette ble gjort av en sveitsisk forskergruppe i 1984. Mange var skeptiske til dette resultatet siden strukturen til lignende proteiner var kjent allerede. Men senere ble et nytt protein med ukjent struktur, tendamistat, studert med både NMR og røntgenkrystallografi. Begge teknikkene ga nærmest identiske forslag til strukturen, og NMR ble anerkjent som et verktøy til strukturoppklaring av denne typen forbindelser. I dag er flere hundre strukturer løst ved hjelp av NMR, og teknikken kan brukes på forbindelser med molekylmasse opp til ca. 40 000 Da.

Strukturer av Tendamistat fra NMR og røntgen,lagt over hverandre for å vise likheten.

I tillegg til ¹H-NMR blir ¹³C- og ¹⁵N-NMR brukt ved strukturoppklaring av proteiner, selv om disse isotopene bare finnes i små mengder i naturen (naturlig andel av ¹³C utgjør ca. en prosent av andel ¹²C, ¹⁵N ca. 0,4 prosent av ¹⁴N). En måte å øke andelen av ¹³C og ¹⁵N i proteiner på er å sette genet som koder for proteinet inn i bakterier, og så dyrke bakterien i medier anriket med ¹³C og ¹⁵N. Bakterien vil da produsere et protein med høyere innhold av ¹³C og ¹⁵N, og signalene fra disse vil bli mer intense slik at det blir noe enklere å få nok informasjon til å analysere strukturen.

I tillegg til strukturinformasjon kan NMR gi informasjon om de dynamiske egenskapene til et biomolekyl og om mekanismene for biokjemiske reaksjoner. Med NMR kan vi få bedre forståelse for hvordan biomolekyler reagerer med hverandre i naturen, hvordan et protein bindes til DNA og hvordan et enzym gjenkjenner substratet sitt. Slike undersøkelser gjøres ikke bare av vitenskapelig nysgjerrighet, men denne typen kunnskaper på molekylnivå gjør det lettere å forstå sykdommer og ut fra dette utvikle bedre legemidler.

NMR av faste stoffer

NMR har lenge vært et verktøy for å studere stoffer i løsning. NMR-spektra av faste stoffer ga brede, overlappende topper som det var vanskelig å trekke informasjon ut av. Grunnen til dette er en sterk interaksjon mellom «stavmagnetene» i faste stoffer. Dette kommer ikke til syne når forbindelsen er i løsning. Her vil raske molekylbevegelser nulle ut disse interaksjonene. Men en lignende effekt for faste stoffer kan oppnås ved å rotere prøven raskt og i en bestemt vinkel til magnetfeltet. Denne rotasjonsteknikken (såkalt «magic angle») har ført til at NMR nå også er et verktøy for å studere egenskaper i faste stoffer.

Bildedannelse ved hjelp av NMR

I de senere årene har NMR også blitt utviklet til å brukes i medisinsk avbildning. Når NMR brukes på denne måten, snakker vi om Magnetic Resonance Imaging, MRI (begrepet «nuclear» eller «kjerne» er utelatt fordi man var redd for at publikum ville forbinde det med radioaktivitet).

Kort tid etter de første vellykkede NMR-eksperimentene oppdaget Felix Bloch, en av pionerene innenfor NMR, et sterkt protonsignal da han stakk fingeren inn i spektrometeret. Signalet kom i hovedsak fra vann, som utgjør ca. 70 prosent av menneskekroppen. Men vann i en levende kropp befinner seg i helt andre omgivelser enn fritt vann og denne forskjellen kan måles ved hjelp av NMR.

I 1971 oppdaget Raymond Damadian (State University, New York) at det var mulig å se forskjell på normale celler og kreftceller ved å måle protonsignalet fra vann inne i cellene. Dette og andre lignende observasjoner inspirerte kjemikeren Paul Lauterbur til å finne opp MRI-teknikken i 1972. Han innså at NMR-informasjon kunne fås direkte fra intakte, levende organismer og stilte spørsmålet om det var mulig å si hvor NMR-signalet kom fra i en tredimensjonal gjenstand uten å skjære den opp.

Svaret var å bruke et magnetfelt som varierer i styrke gjennom gjenstanden som undersøkes. Resonansfrekvensen for et proton i et vannmolekyl avhenger av kjemisk skift og magnetfeltets styrke. Når feltstyrken endrer seg gjennom objektet, vil følgelig signalet fra et vannproton blant annet avhenge av hvor langt inne i objektet det befinner seg.

MRI er nå et av biologiens og medisinens viktigste verktøy. Den store fordelen er at dette er en ikke-invasiv teknikk, og i motsetning til røntgen er NMR følsom for vev med høyt innhold av vann. Dette gjør at røntgen og MRI er komplementære metoder. Røntgen er fremdeles verktøyet til å studere benbrudd, mens MRI kan oppdage abnormiteter i vev, muskler og andre bløte deler av menneskekroppen.

MRI-imaging