Nükleer Magnetik Rezanans; Teorisi (nuclear magnetic resonance theory)

1. NMR’ın Kuvantum Tanımı

NMR, bir atomik çekirdeğin magnetik momentinin (m) bir dış magnetik alanla (B₀) etkileşiminden meydana gelen magnetik rezonansın izlenmesinde radyo dalgalarının kullanıldığı bir spektroskopik tekniktir.

Kuvantum mekaniği yönünden tek kütle veya tek atomik numaralı bir çekirdeğin “nükleer spin”i vardır. Çekirdeğin her spini farklıdır; bu durum, NMR deneylerinin, özel bir elementin sadece özel bir izotopu için hassas olması sonucunu yaratır.

¹H veya ¹³C gibi dönen bir yük (spinning charge) bir magnetik alan yaratır. Spini +1/2 olan bir çekirdeğin yarattığı magnetik alanın yönü, spini -1/2 olan çekirdeğin yarattığının ters yönündedir (Şekil-1a). Nükleer spinler bir magnetik alana (B₀) konulduğunda enerji hallerine uygun olarak yönlenirler; yönlenmelerindeki etkiye Zeeman Etkisi denir. Bir dış magnetik alan bulunmadığı zaman nükleer spinlerin dağılımı rastgeledir (Şekil-1b). Bir dış alan, uygulanan alana paralel ve antiparalel nükleer magnetik momentler oluşmasını sağlar (Şekil-1c). Uygulanan alana paralel yerleşimlerin (Şekilde 1, 2, 3, 4) magnetik momentleri biraz daha yüksektir.

Şekil-1: Çekirdeğin yarattığı magnetik alanın yönleri ve magnetik momentler

Taneciğin spinine bağlı açısal momentin h/2p ile çarpımının bir bütün veya bütünün yarısı olduğu kabul edilir (h planck sabitidir). Bir çekirdek taneciğinin maksimum spin bileşeni "spin kuvantum sayısı, I"dır; bu durumda bir çekirdeğin (2I + 1) hali vardır. Bu hallere ait açısal momentum bileşeni, seçilen herhangi bir yönde, I, I –1, I – 2, ..., -I değerlerinde olacaktır. Bir dış alan bulunmaması durumunda çeşitli hallerin enerjileri birbirine eşittir.

Bir protonun spin sayısı 1/2 dir; böylece I = +1/2 ve I = -1/2 olmak üzere iki spin hali bulunur. Ağır çekirdekler çeşitli elementer taneciklerin biraraya gelmesiyle oluştuğundan spin numaraları sıfırdan, en az 9/2 ye kadar değişebilir. Bir çekirdeğin spin numarası, içerdiği protonların ve nötronların relatif sayısına bağlıdır.

Elementler Taneciklerin Magnetik Özellikleri: Bir çekirdeğin spini taşıdığı yük nedeniyle, bir magnetik alan meydana getirir. Bu durum tel bir sarımından elektrik aktığında bir elektrik alanının oluşmasına benzer. Oluşan magnetik dipol (M) spin ekseni boyunca yönlenir ve değeri her bir çekirdek için özeldir. Tanecik spini ve magnetik moment arasındaki ilişki, gözlenebilen bir seri magnetik kuvantum hali oluşturur. bunlar aşağıdaki şekilde gösterilir.

m = I, I -1, I - 2, ..., - I                (1)

Bir Magnetik Alandaki Enerji Seviyeleri: Bir dış magnetik alanın etkisinde bırakıldığında, magnetik momente sahip olan bir tanecik, magnetik dipolü ve dolayısıyla spin ekseni, alana paralel olacak şekilde yönlenir. DE = hn olacak şekilde bir dış enerji kaynağı (düşük radyo frekansı) uygulandığında çekirdek tarafından absorblanır ve çekirdeğin spini ters yöne (spin flip) döner: yani, NMR’ı iki değişken karakterize eder; uygulanan magnetik alanın şiddeti (B₀) ve rezonans için gerekli olan ışının frekansı (n).

Tablo-1: Çeşitli Çekirdeklerin Spin Kuvantum Sayısı

Protonların sayısı	Nötronların sayısı	Spin kuvantum sayısı	Örnekler
Çift	Çift	0	12C, 16O, 32S
Tek	Çift	1/2	1H, 19F, 31P
		3/2	11B, 79Br
Çift	Tek	1/2	13C
		3/2	127I
Tek	Tek	1	2H, 14N

Taneciğin davranışı, böyle bir alana konulan küçük bir magnetik çubuğun davranışına benzer. Her ikisinin de potansiyel enerjisi dipolün alana göre olan yönlenmesine bağlıdır. Magnetik çubuğun enerjisi konumuna göre sonsuz bir sayı olabilir; tersine çekirdeğin konumu (2I+1) durumla sınırlandırıldığından, enerjisi de ancak (2I+1) sayıda olabilir. Kuvantize olsun veya olmasın bir alan içindeki bir magnetin potansiyel enerjisi Denklem (2) ile verilir.

E = - m_z B₀                    (2)

m_z , magnetik momentin, kuvveti B₀ olan bir dış alan yönündeki "bileşeni" dir.

Şekil-2: Bir magnetik alandaki enerji seviyeleri

Çekirdeklerin kuvantum özelliği, olası enerji seviyeleri sayısını birkaç tane ile sınırlar. Böylece, spin sayısı I ve magnetik kuvantum sayısı m olan bir tanecik için bir kuvantum seviyesinin enerjisi,

B₀: dış alan kuvveti, gauss (G), b: nükleer magneton, sabittir (b = 5.051x10^-24  erg/G dir), m, taneciğin momentidir; proton için, m = 2.7927 nükleer magnetondur. Proton için I = 1/2 dir, bu taneciğin magnetik kuvantum sayıları +1/2 ve -1/2 dir. Bu hallerin bir magnetik alandaki enerjileri:

Bu iki kuvantum enerjisi, spin ekseninin magnetik alana göre iki şekilde yönlenmesini sağlar; Şekil-3(a)’da görüldüğü gibi, düşük enerji hali (m = 1/2) için magnetik momentin vektörü alanla ayni yönde, yüksek enerji hali (m =-1/2) içinse alanla zıt yöndedir. İki seviye arasındaki enerji farkı,

DE= 2 m b B₀ denklemiyle verilir.

¹⁴N gibi spin numarası 1 olan bir çekirdeğin yönlenmeleri ve enerji seviyeleri Şekil (3)b)’de gösterildiği gibidir. Burada, üç enerji seviyesi (m=1, 0, ve -1) vardır, ve her birinin arasındaki enerji farkı m b B₀’a eşittir.

Şekil-3: B₀ magnetik alanındaki çekirdeklerin magnetik momentlerinin yönlenmesi ve enerji seviyeleri

Enerji farkları:

Diğer kuvantum hallerinde olduğu gibi, daha yüksek bir nükleer magnetik kuvantum seviyesine uyarma için bir fotonun DE'ye eşit miktarda hn enerjisi absorblaması gerekir.

Magnetik Kuvantum Halleri Arasında Taneciklerin Dağılımı: Bir magnetik alan bulunmaması durumunda kuvantum hallerinin enerjileri birbirine eşittir. Bunun sonucu olarak da büyük bir proton topluluğunda m = +1/2  ve m = -1/2 olacak şekilde eşit sayıda çekirdek bulunur.

Çekirdekler bir magnetik alana konulduğunda, düşük enerji hali (m = +1/2) baskın olacak şekilde, yönlenme eğilimi gösterirler. Oda sıcaklıklarındaki ısıl enerjileri, bu magnetik enerji büyüklüğü farklarının birkaç derecesi kadar fazla olduğundan, ısıl dalgalanma magnetik etkilerin kaybolmasına ve düşük enerji halinde sadece çok az miktarda (ppm) çekirdek kalmasına yol açar. İki haldeki protonların sayısı eşit ise, ışının absorblanma olasılığı, daha yüksek enerji halinden daha düşük enerji haline geçen taneciklerin yaptığı emisyon olasılığına eşittir; bu koşullarda net absorpsiyon sıfır olur.

2. NMR'ın Klasik Tarifi

Absorpsiyon olayını anlamada ve ölçmede, yüklü bir taneciğin bir magnetik alandaki davranışının klasik yorumu çok önemlidir.

Bir Alandaki Taneciklerin Presesyonu (Hareketleri): Önce bir kompas iğnesi gibi, dönmeyen bir magnetik bedenin, bir dış magnetik alandaki davranışını inceleyelim. Alanın konumundaki ani bir değişiklik, iğnenin iki ucu üzerinde kuvvet oluşmasına ve böylece iğnenin kendi eksen düzleminde sallanmasına neden olur; sürtünme yoksa iğnenin uçları alan ekseninde süresiz olarak ileri-geri salınmaya devam eder.

Magnet eğer kendi güney-kuzey ekseni etrafında hızla dönerse meydana gelen presesyon oldukça farklıdır. Bu durumda griyoskopik (topaç) etki nedeniyle, alanın dönme eksenine uyguladığı kuvvet, presesyonun kuvvet düzleminde değil, buna dik bir düzlemde olmasına yol açar; dönen taneciğin ekseni böylece magnetik alanın etrafında dairesel bir yol izler. Bu presesyon, bir kuvvet uygulanarak dikey konumundan saptırılan bir topacın hareketine benzer (Şekil-4).

Şekil-4: Dönen bir taneciğin bir magnetik alandaki presesyonu

Klasik mekaniğe göre presesyonun açısal hızı uygulanan kuvvetle doğru, dönen bedenin (ki buna kuvvet uygulanmıştır) açısal momenti ile ters orantılıdır. Bir magnetik alan içinde dönen tanecik üzerindeki kuvvet, alan kuvveti B₀ ile taneciğin magnetik momenti mb nın çarpımına, yani m b B₀ ‘a eşittir; açısal moment de I(h/2p)dir; presesyon hızı w₀, aşağıdaki denklemle verilir. Buradaki g 'ya "magnetogrik oran" (veya, giromagnetik) denir. Magnetogrik oran, dönen bir taneciğin magnetik momenti ve açısal momentumu arasındaki ilişkiyi gösterir.

Buradaki g ya "magnetogrik oran" (veya, gromagnetik) denir. Magnetogrik oran, dönen bir taneciğin magnetik momenti ve açısal momentumu arasındaki ilişkiyi gösterir.

Magnetogrik oran her çekirdek için özel bir değerdir.

Denklem(6), 2p ile bölünerek frekans veya harekete (n₀) dönüştürülebilir. n₀ ‘a "Larmor frekansı" denir.

Denklem(7) ve (8) birleştirilerek aşağıdaki ifade çıkarılır.

         

Denklem(9) ve (5) kıyaslandığında, klasik mekanikten çıkarılan tanecik hareket frekansının, dönen bir taneciğin bir spin halinden bir diğerine geçişi için gerekli radyant enerjiye veya kuvantum mekaniği frekansına eşit olduğu görülür; yani n₀ = n dir. Bu eşitlik Denklem(8)de yerine konularak absorblanan ışın ve magnetik alanın kuvveti arasında yararlı bir bağıntı çıkarılır.

Absorpsiyon İşlemi: Bir magnetik alanda dönen hareketli taneciğin potansiyel enerjisi E,

denklemiyle verilir. Buna göre, radyo-frekanslı enerji absorblayan bir çekirdeğin presesyon açısı değişmelidir. Bu tarife göre absorpsiyon işlemi, alan yönünde düzenlenmiş magnetik momenti, momentin zıt yönde olduğu bir hale sıçratmak şeklinde tarif edilebilir. (İşlem Şekil-5’de şematik olarak gösterilmiştir.)

Dipolü sıçratmak için, sabit alana doğru açıda uygulanan bir magnetik kuvvete ve presesyon dipol ile ayni fazda bulunan dairesel bir bileşene gereksinim vardır. Uygun bir frekanstaki dairesel polarize ışın bu özellikleri içerir; magnetik vektöründe, Şekil-6’daki noktalı çizimde görüldüğü gibi, dairesel bileşen vardır.

Şekil-5: Hareketli bir tanecik tarafından ışın absorpsiyonu modeli

Şekil-6: xy düzleminde polarize olmuş bir demetin dairesel bileşeninin absorpsiyonu

Işının magnetik vektörünün dönme frekansı presesyon frekansı ile ayni ise, absorpsiyon ve sıçratma olayı meydana gelir. İşlem geri dönüşümlüdür ve uyarılmış tanecik tekrar ışın çıkararak temel hale döner.

Düzlem polarize ışın zıt yönlerde dönen iki dairesel polarize demetten oluşur; bunlardan biri düzlem içinde, diğeri ise doğrusal polarizasyon düzlemine dik bir düzlem içinde bulunurlar. Böylece nükleer taneciklerin, sabit magnetik alan yönüne 90⁰ lik bir açı ile polarize edilmiş bir demet ile ışınlandırılması halinde dairesel polarize ışın, absorpsiyonun oluşacağı düzleme girer. Demetin, presesyon yönünü döndüren, sadece bu yarısı absorplanır; diğer yarısı faz dışına çıkar, örnekten değişmemiş olarak geçer.

3. Relaksasyon İşlemleri

Üst enerji seviyesinde veya uyarılmış spin halinde bulunan bir çekirdeğin kendi düşük enerjili haline dönme mekanizmasını inceleyelim.

Işın verilmeden önceki durum nedir? Bir magnetik alana konulan çekirdeklerin tümü magnetik alanla ayni yönde yönlenmezler; Larmor frekansı denilen karakteristik bir frekansta kendi eksenleri etrafında bir gyroskop gibi dönerler (presesyon). Bu presesyon genellikle faz dışındadır ve sonuçta, XY düzleminde magnetik vektör yoktur. (Şekil-7a). Net nükleer magnetizasyon (M), z ekseni boyunca statistik olarak yönlenir.

M = M_z             M_xy = 0

Işın verilirken ne olur? Bir elektromagnetik puls (radyo frekansı) uygulandığında başlangıçtaki rastgele spin-yukarı ve spin-aşağı dağılım bozulur, spinler faz içine girerler. 90⁰ bir puls uygulanıyorsa sonuçta yukarı ve aşağı doğru yönlenen spinlerin sayısı eşitlenir ve ayni yöne yönlenirler; faz uyumu sonucunda magnetizasyon vektörü, XY düzlemine transfer olur. Böylece, XY düzleminde M_xy bileşeni meydana gelir. (Şekil-7b)

M_xy = M sina

a eğilme açısıdır; elektromagnetik ışının gücü ve ışınlandırma süresine bağlıdır.

Işın kesildikten sonra ne olur? İzlenmesi gereken yol haller arasındaki enerji farkına eşdeğer miktardaki frekansta bir ışın emisyonunun oluşmasıdır. Ancak ışın teorisine göre böyle bir emisyonun gerçekleşme olasılığı oldukça zayıftır; bu nedenle de yüksek spin halindeki çekirdeğin enerji kaybederek, ışımasız bir yol izlediği varsayılır. Işınlandırma kesildikten sonra oluşan haller topluluğu, Boltzmann dağılımına uygun olarak eski durumuna dönerler; ayrıca her bir nükleer magnetik moment faz uyumluluk özelliğini kaybetmeye başlar ve z ekseni boyunca tekrar rastgele düzenlenme meydana gelir. Bu prosese “relaksasyon işlemi” denilmektedir. Relaksasyon işlemlerinin hızları bir NMR sinyalinin yapısını ve kalitesini etkiler. Bu hızlar örneğin fiziksel durumuna bağlı olduğundan, çoğu zaman kontrol altında tutulur.

Kararlı bir NMR sinyalinin gözlenebilmesi relaksasyon işlemlerine bağlıdır. Böyle bir sinyalin alınabilmesi, kuvvetli bir magnetik alandaki çekirdeklerden düşük enerjili olanların birkaç ppm kadar fazlasının bulunmasını gerektirir. Absorpsiyon olayı bu fazlalığı yok edeceğinden, bazı ışımasız enerji-transferi işlemleri ile yeterli bir hızla, yeni düşük enerjili tanecikler üretilmezse, sinyal hızla sıfıra düşer. Relaksasyon işlemleri, magnetik alana konulan örnekten çok az miktarda düşük enerjili tanecikler üretilmesini de sağlamalıdır.

Tam olarak saptanabilen bir absorpsiyon sinyalinin alınabilmesi için relaksasyon işleminin çok hızlı olması gerekir; bu, uyarılmış halin yaşam süresinin çok kısa olması demektir. Oysa, uyarılmış halin yaşam süresi ve onun absorpsiyon hattının genişliği arasında ters bir orantı vardır, bu durum yaşam sürecinin çok kısa olmasından kaynaklanan avantajı yok eder.

Şekil-7: Çekirdeklerin magnetizasyonu sonucu oluşan vektörlerin toplamı

Böylece, yüksek relaksasyon hızlarında, veya düşük yaşam süreçlerinde, hatlarda genişlemeler gözlenir, bu durum ise yüksek- rezolusyonlu ölçmeleri engeller. Bu iki zıt faktör, uyarılmış bir tanecik için optimum bir yaşam süreci bulunması gereğini yaratır, bu süreç 0.1-1 saniye aralığındadır.İki tip çekirdek relaksasyon işlemi vardır. Bunlardan biri "boylamasına" veya "spin-doku" relaksasyonu, diğeri "enlemesine" veya "spin-spin" relaksasyonudur.

Spin-Lattice (Doku) Relaksasyonu: T₁ relaksasyon l(Longitudinal) spin-yukarı ve spin-aşağı hallerin denge haline geri dönmesi olayıdır; etkisi, sonuç magnetizasyon vektörünün z yönündeki konumuna dönmesidir; geri dönüş, orijinal değerin %63 kadarıdır. (Şekil-7c)

Bir NMR deneyindeki absorblayıcı çekirdekler, örneği oluşturan çok sayıdaki atomlar topluluğunun sadece bir bölümüdür. Tüm atomlar topluluğuna, örneğin katı, sıvı, veya gaz olmasına bakılmaksızın, doku denir. Özellikle sıvı ve gaz örneklerde, doku şiddetli titreşim ve dönme hareketleri içindedir, ve bu durum her magnetik çekirdek için karmaşık bir alan oluşmasına neden olur. Böylece oluşan toplam doku alanı sonsuz sayıda magnetik bileşen içerir. Bu bileşenlerden bazıları, absorblayıcı çekirdeklerle ayni hareket frekansı ve fazındadır. Bunlar absorblayıcı çekirdeklerle etkileşerek onları yüksek spin halinden düşük spin haline dönüştürürler; böylece absorblanan enerji ısıl titreşim veya dönme değerini bir miktar artırır. Bu değişiklikle örneğin sıcaklığı çok az miktarda yükselir.

Spin-doku relaksasyonu, yüksek enerji halindeki çekirdeklerin ortalama yaşam sürecini gösteren T₁ zamanına bağımlı olan 1. dereceden bir işlemdir.

T₁, absorblayıcı çekirdeklerin magnetogrik oranına bağlıdır ve ayrıca dokunun hareketliğinden de kuvvetle etkilenir. Hareketliğin az olduğu kristal halindeki katı maddelerde ve viskoz sıvılarda T₁ büyüktür. Hareketlilik arttıkça (yüksek sıcaklık gibi) titreşim ve dönme frekansları da artar ve böylece bir relaksasyon geçişi için gerekli büyüklükteki bir magnetik düzensizliğin bulunma olasılığı fazlaşır; sonuçta T₁ küçük bir değer olur. Çok yüksek hareketliliklerde ise düzensizlik frekansları daha fazla yükselir ve geniş bir aralığa yayılarak bir spin-doku geçişi için gerekli bir frekansın bulunabilme olasılığının düşmesine neden olur. Sonuçta T₁ ve doku hareketliliği ilişkisi bir minimumdan geçer.

Spin-doku relaksasyon süresi çiftleşmemiş bir elektron bulunması durumunda çok kısalır. Çünkü bu tek elektronun spini, kuvvetli düzensiz magnetik alanların oluşmasına yol açar. Benzer bir durumu spin sayıları yarımdan daha büyük olan tanecikler yaratır. Bu taneciklerin yük dağılımları simetrik değildir; dönmeleriyle de kuvvetli bir düzensiz alan oluştururlar. Bu alanla uyarılmış taneciklerin enerjilerini dokuya transfer edebilecekleri yeni bir hareket yolu çizilir. Bu tip taneciklerin bulunmasıyla T₁ in önemli derecede kısalması hat genişlemesine sebep olur. Bir azot atomuna bağlanmış protonun NMR spektrumu örnek olarak gösterilebilir.

Spin-Spin Relaksasyonu ve Hat Genişlemesi: Relaksasyon zamanını düşürerek NMR hatlarının genişlemesine neden olan diğer bir kaç etken daha vardır. Bu etkenler normal olarak, birarada bulunurlar ve bir spin-spin relaksasyon zamanı (T₂) ile tarif edilirler. Kristalin katılar ve viskoz sıvılar (10^-4 s) için T₂ değeri, bu tip örneklerin yüksek rezolusyon spektralarının alınmasına olanak vermeyecek kadar küçüktür. T₂ relaksasyon (transvers), hızlı relaksasyon şeklidir; spinler faz dışına çıkarlar; XY düzlemindeki sonuç magnetizasyon vektörü, orijinal değerin %37’si gibi bir değere düşer. T₂ ≤ T₁ (Şekil-7d).

Hareket hızları ayni, fakat magnetik kuvantum halleri farklı olan ayni cins komşu iki çekirdeğin magnetik alanları birbirine etki ederek hallerin değişmesine sebep olurlar. Yani, uyarılmış çekirdek daha düşük enerji haline geçerken, düşük spin halindeki çekirdek uyarılır. Sonuçta farklı spin hallerindeki çekirdeklerin sayısında bir değişiklik olmaz, ancak uyarılan özel bir taneciğin ortalama yaşam süresi kısalır, dolaysıyla hat genişlemesi olur.

Hat genişlemesine neden olan iki etken daha vardır. bunlar n= g B₀/2p eşitliğindeki B₀ değerinin, her çekirdek için az miktarda da olsa farklı hale getirilmesinden ileri gelir; bu durumda tek bir frekans yerine, bir frekanslar bandı absorblanır.

Statik alanı değiştiren etkenlerden biri, örnekte, spinleri lokal alanlar yaratarak analiz edilen çekirdeğe etki eden dış alanı artıran veya azaltan diğer magnetik çekirdeklerin bulunmasıdır. Hareketli bir dokuda bu lokal alanlar birbirini yok eder, çünkü bu alanları yaratan çekirdekler çok hızlıdır ve rasgele hareket ederler. Çekirdeğin faz uyumunu kaybedip z ekseni etrafında rastgele düzenlenmesine dönmesi spin-spin relaksasyon işlemidir. M_xy ‘nin parçalanması, spin-spin relaksasyon zamanı T₂ tarafından kontrol edilen bir hızla gerçekleşir.

Katı veya viskoz bir sıvıda ise lokal alanlar varlıklarını korurlar ve bir alan kuvvetleri aralığı, dolayısıyla da absorpsiyon frekansları aralığı oluştururlar.

Statik alanı değiştiren bir diğer etken de alan kaynağının kendisindeki küçük homojensizliklerdir. Bu etki, magnetik alandaki örneğin tümünün hızla döndürülmesiyle büyük ölçüde giderilebilir.

4. Absorpsiyon Ölçümü

Tüm absorpsiyon spektroskopik ölçmeler, absorblayıcı bir örneğin neden olduğu ışın gücündeki azalmanın, yani zayıflamanın (attenuasyon) saptanması işlemidir. NMR spektroskopide ise absorblayıcı taneciklerin sayısı çok azdır ve sonuçtaki zayıflama değerinin doğru olarak ölçülmesi oldukça zordur. Bu nedenle NMR spektrometreler, pozitif absorpsiyon sonucunda oluşan sinyalin büyüklüğünü  ölçer. Şekil-8(a), bir NMR spektrometrenin başlıca bileşenlerini göstermektedir. Işın kaynağı bir radyo-frekansı osilatör devresinin parçası olan bir sarımdır. Böyle bir sarımdan gelen elektromagnetik ışın düzlem-polarize (Şekilde xz düzleminde) bir ışındır. Dedektör, kaynağa göre dik açıda yerleştirilmiş (Şekilde y ekseni üzerinde) ikinci bir sarımdır ve bir radyo-alıcı devrenin parçasıdır. NMR çalışmalarında kullanılan magnetik alanın yönü z ekseni doğrultusundadır, kaynak ve dedektöre göre diktir. Şekil-8(c)'de görüldüğü gibi, düzlem-polarize ışın birbirine zıt yönlerde dönen iki dairesel polarize vektöre ayrılır (xy düzleminde). Bu bileşenlerin vektöriyel toplamları açısal konumlarına bağlı olmaksızın, y ekseni boyunca net bir sinyal vermez. Böylece, y eksenindeki bir dedektör ile hiç bir sinyal alınamaz. Şekil-8(b) ve (d), örneğin üç eksenin kesiştiği noktaya (orijine) yerleştirilmesinin etkisini göstermektedir. Kaynağın frekansı, örnekteki özel bir tip çekirdeğin absorblayabileceği bir seviyede ise, ışının iki dairesel bileşeninden birinin gücü azalır. Sonuçtaki bileşenlerin vektöriyel toplamları, ışının bu durumda y ekseni yönünde, değişken bir bileşene sahip olduğunu gösterir, dedektör bu bileşeni algılar. Böylece örnek, jeneratörü alıcıya bağlayarak magnetik alandaki çekirdeklerin hareket frekansına uygun frekansta ışın verilmesini sağlar. Bağlantının büyüklüğü (veya kapsamı), ve buna göre de sinyalin kuvveti absorblayıcı çekirdeklerin sayısına bağlanır.

Absorpsiyon Spektrası: NMR spektra iki şekilde elde edilir. Birincisi, optik spektra elde etmekte kullanılan yönteme benzer; bunda elektromagnetik frekansın değişmesiyle alınan absorpsiyon sinyali ölçülür. Radyo frekansları doğrusal taramalı değişken-frekanslı bir osilatörden alınır; frekanslar hidrojen için 1 kHz ve ¹³C ve ¹⁹F için 10 kHz seviyesindedir.

NMR spektrasının diğer elde edilme yönteminde sabit-frekanslı bir radyo osilatörü ve sürekli taramalı magnetik alan (B₀) kullanılır. İncelenen bir çekirdek için frekans ve alan kuvveti birbiriyle doğru orantılı olduğundan, bir absorpsiyon spektrumunda B₀ apsis fonksiyonundadır.

İlk üretilen ticari NMR cihazlarında, spektrada alan tarama yöntemi kullanılmıştır. Magnetik alanda doğrusal bir değişimin uygulandığı bu yöntemde kullanılan elektronik cihaz, doğrusal taramalı bir osilatöre göre, hem çok basit ve hem de daha ucuzdur. Doğrusal taramalı osilatör yöntemi ise çok iyi spin-ayırma spektrası verir. Bu etkenler dikkate alınarak günümüz NMR cihazlarında frekans taraması sistemi tercih edilir; bazılarında her iki tarama şekli de bulunur. NMR çalışmalarında kullanılan bazı çekirdeklerin spektral verileri Tablo-2’de toplanmıştır.

Şekil-8: NMR’da absorpsiyon sinyali

Tablo-2: Bazı Çekirdeklerin Spektral ve Magnetik Özellikleri

N(a	Spin	A:F:(b)	İM(c), %	H(d)	N(a	Spin	A:F:(b)	İM(c), %	H(d)
1H	1/2	60.0	99.98	1.000	23Na	3/2	15.9	100	0.093
7Li	3/2	23.3	92.57	0.294	25Mg	5/2	3.8	10.05	0.027
13C	1/2	15.1	1.11	0.00018	27Al	5/2	15.6	100	0.206
14N	1	4.3	99.63	0.001	29Si	1/2	11.9	4.70	0.00037
17O	5/2	8.1	0.04	0.00001	31P	1/2	24.3	100	0.066
19F	1/2	56.5	100	0.833	33S	3/2	4.6	7.67	0.002

^(a)N: çekirdek, ^(b)A.F.: Absorpsiyon frekansı; 14092 G magnetik alanda MHz olarak, ^(cİM: ⁾izotopik miktarı, ^(d)H: hassasiyet; sabit bir alandaki eşit sayıdaki protonlara göre relatif hassasiyet

GERİ