thumb|300px|Aparat MRI thumb|300px|Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu wykonana techniką MRI Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, spektroskopia MRJ, spektroskopia NMR (skrótowiec z ) – technika spektroskopowa obserwacji lokalnych pól magnetycznych wokół jąder atomowych. Próbkę umieszcza się w polu magnetycznym, a sygnał NMR wytwarza się przez wzbudzenie próbki za pomocą fal radiowych w magnetycznym rezonansie jądrowym, który jest wykrywany przy użyciu czułych odbiorników radiowych. Wewnątrzcząsteczkowe pole magnetyczne wokół atomu w cząsteczce zmienia częstotliwość rezonansową, dając w ten sposób informację o szczegółach struktury elektronowej cząsteczki i jej poszczególnych grup funkcyjnych. Ponieważ pola są unikalne i wysoce charakterystyczne dla poszczególnych związków, w nowoczesnej praktyce chemii organicznej spektroskopia NMR jest rozstrzygającą metodą identyfikacji związków organicznych. Podobnie biochemicy używają NMR do identyfikacji białek i innych złożonych cząsteczek (). Oprócz identyfikacji, spektroskopia NMR dostarcza szczegółowych informacji o strukturze, dynamice, stanie reakcji i środowisku chemicznym cząsteczek. Najbardziej rozpowszechnionymi typami NMR są spektroskopia protonowa i węglowa-13 NMR, ale ma ona zastosowanie do dowolnego rodzaju próbki zawierającej jądra posiadające niezerowy moment magnetyczny.

Technika jest jedną z najczęściej stosowanych obecnie technik spektroskopowych w chemii i medycynie.

Poza MRJ i NMR inne stosowane skróty w literaturze to: RM (rezonans magnetyczny)Potocznie w języku polskim „rezonans magnetyczny” z pominięciem słowa „jądrowy”, które większości ludzi może się źle kojarzyć (dlatego w medycynie zdecydowano się na krótszą nazwę oraz skrótowce RM i MR – w chemii używa się pełnej nazwy)., MR (ang. ) i MRI (ang. ), często w znaczeniu „obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego”.

Zastosowania W biochemii wykorzystuje się tę metodę do oznaczania zawartości wody i suchej substancji w produktach spożywczych. Wykorzystuje ona zjawisko pochłaniania energii pola elektromagnetycznego w zakresie fal radiowych przez jądra atomów wodoru (z wody) znajdujących się w badanym materiale. Metoda NMR jest jedną z dokładniejszych metod, dzięki której możemy otrzymać najwięcej powtarzających się wyników. Nadaje się ona do oznaczania zawartości wody w przedziale od 3 do 100%.

W medycynie zjawisko rezonansu magnetycznego stosuje się w jednej z technik tomograficznych, którą nazywa się obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego.

Podstawy fizyczne Niezerowy spin jądrowy s mają praktycznie wszystkie atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1H, węgiel 13C, azot 15N, tlen 17O, fluor 19F, sód 23Na i fosfor 31P). Nukleony o parzystej liczbie zarówno protonów, jak i neutronów (np. węgiel 12C, tlen 16O, krzem 28Si czy siarka 32S) mają spin jądrowy dokładnie równy 0 (z powodu korzystnego energetycznie dla jądra zjawiska znoszenia się spinów). W bardzo dużym uproszczeniu spin jądrowy można sobie wyobrazić jako rotację jądra wokół własnej osi. Jest on związany z wewnętrznym momentem pędu jądra.

Podstawą zjawiska NMR jest oddziaływanie momentów magnetycznych jąder z wirującym polem magnetycznym w obecności stałego pola magnetycznego: stałe pole magnetyczne, które jest wytwarzane przez magnesy, wirujące pole magnetyczne o płaszczyźnie rotacji prostopadłej do osi stałego pola magnetycznego i ściśle określonej częstotliwości – szybkości rotacji (jego źródłem jest fala elektromagnetyczna – oscylujące pole magnetyczne fali elektromagnetycznej jest złożeniem dwóch wirujących w przeciwnych kierunkach pól magnetycznych),

Według mechaniki kwantowej cząstka obdarzona spinem o wartości 1/2 może przyjąć jedną z dwóch pozycji względem dowolnego kierunku: np. zgodnie ze zwrotem wektora indukcji pola magnetycznego lub przeciwnie, energia cząstki w tych stanach jest różna, jeśli cząstka posiada niezerowy moment magnetyczny. W temperaturze różnej od zera bezwzględnego cząstki zajmują oba stany z różnym prawdopodobieństwem opisanym rozkładem Boltzmanna. W temperaturze pokojowej, w stanie równowagi termodynamicznej, prawdopodobieństwo zajęcia stanu o mniejszej energii jest tylko nieznacznie większe (ok. 1 na 100 tys.). Ta nieznaczna różnica w liczbie obsadzeń powoduje powstanie makroskopowego namagnesowania.

Dodatkową wielkością, która służy do opisu zjawiska NMR, jest precesja Larmora, będąca ruchem wektora magnetyzacji wokół kierunku pola magnetycznego. Fenomenologiczny opis ruchu wektora magnetyzacji opisany został w 1946 roku przez jednego z dwóch odkrywców NMR Felixa Blocha (równania Blocha).

Częstość obrotu momentu magnetycznego jest proporcjonalna do wartości stałego pola magnetycznego, a współczynnikiem proporcjonalności jest tzw. współczynnik magnetogiryczny (giromagnetyczny). Częstość Larmora dana jest zależnością

Aby zmienić stan momentu magnetycznego, wprowadza się zmienne pole magnetyczne o częstości równej precesji Larmora i skierowane w kierunku prostopadłym do stałego pola magnetycznego. Rezonans polega na tym, że częstości Larmora (zależna od własności cząstki i stałego pola magnetycznego) i pola wirującego są równe lub z punktu widzenia cząstki, tylko dla częstości rezonansowej wirującego pola „widzi” ona dodatkowe statyczne pole, tzw. pole efektywne, dookoła którego również zaczyna się kręcić (w wirującym własnym układzie odniesienia cząstki pojawia się słabe statyczne pole magnetyczne – moment magnetyczny cząstki zaczyna wirować z małą prędkością proporcjonalną do wielkości pola). Ze względu na fakt, że wirujące pole jest bardzo słabe w stosunku do pola stałego, częstość precesji jest w zakresie kilku kHz.

W ten oto sposób można zmienić orientację spinu, a tym samym kierunek całej magnetyzacji – jednak ze względu na skalę efektu NMR jest to zmiana niezwykle mała. Rejestracja sygnału NMR polega na obróceniu magnetyzacji na płaszczyznę, w której znajduje się cewka odbiorcza (płaszczyzną detekcji jest płaszczyzna prostopadła do pola stałego). Obracająca się w płaszczyźnie detekcji magnetyzacja indukuje w cewce prąd, który może być zarejestrowany przez aparaturę. Sygnały NMR są niezwykle słabe.

Historyczna już metoda NMR, tzw. metoda fali ciągłej (ang. – ), obserwowała jedynie absorpcję pola o częstościach radiowych, w tym celu płynnie zmieniano pole magnetyczne przy stałej częstotliwości pola radiowego (lub odwrotnie). Współczesne metody impulsowe stosują krótkie impulsy pola, nazywane potocznie radioimpulsami. Najczęściej stosuje się częstotliwości radiowe w zakresie od 16 MHz do 1 GHz. Dla protonów w izotopie 1H umieszczonych w polu magnetycznym B = 1 T radioimpuls ma częstotliwość około 40 MHz.

Najczęstsze radioimpulsy to i Obracają one magnetyzację o kąty odpowiednio 90 i 180° w stosunku do osi stałego pola. Radioimpuls 90° zamienia populacje w koherencje, ponieważ spiny znajdują się w płaszczyźnie XY. Radioimpuls 180° odwraca stosunek obsadzeń populacji, a spiny i magnetyzacja skierowane odwrotnie do zwrotu stałego pola magnetycznego.

Cewka nadawczo-odbiorcza spektroskopu umożliwia rejestrację sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. – ), który niesie w sobie informację przede wszystkim o różnych częstościach precesji Larmora, które to uzyskuje się wprost z transformacji Fouriera sygnału zaniku swobodnej precesji.

Widmo sygnału FID niesie również informację o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone orbitale elektronowe (przesunięcie chemiczne) oraz na skutek oddziaływań spinów z otoczeniem, którymi są sąsiadujące spiny. Stąd też duże znaczenie NMR w chemii. Do najważniejszych oddziaływań spinowych zaliczamy: pośrednie oddziaływanie spinów jądrowych poprzez wiązanie chemiczne (polaryzacja spinów elektronowych) tzw. oddziaływanie skalarne, oddziaływanie bezpośrednie oddziaływanie spin-spin i kilka innych, znacznie słabszych oddziaływań.

Sygnał FID (zaniku swobodnej precesji) zanika głównie na skutek procesów relaksacyjnych. Podstawowe procesy relaksacji to tzw. relaksacja typu spin-spin (relaksacja poprzeczna) oraz relaksacja typu spin-sieć (relaksacja podłużna). Za zanik magnetyzacji ze stałą czasową relaksacji podłużnej odpowiadają w głównej mierze niejednorodności pola magnetycznego, procesy transportu oraz procesy wymiany chemicznej. Relaksacja poprzeczna to powrót układu spinów do równowagi termodynamicznej, opisanej statystyką Boltzmanna.

Dzięki obrazowaniu MRI (ang. ), NMR jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną. Podstawą obrazowania jest wykorzystanie tzw. gradientów pola magnetycznego, które różnicują stałe pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Zróżnicowanie pola i radioimpulsy o odpowiednio dobranym widmie, pozwalają na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu.

Przesunięcie chemiczne W przypadku substancji składającej się wyłącznie z jednego rodzaju atomów – np. gazowego wodoru, generowane w warunkach eksperymentu NMR widmo promieniowania elektromagnetycznego składa się zazwyczaj z jednej ostrej linii, bo wszystkie jądra są jednakowe i znajdują się w tym samym polu magnetycznym.

W przypadku substancji składającej się z bardziej złożonych cząsteczek np. etanolu, różne atomy wodoru obecne w tej cząsteczce będą wysyłały promieniowanie elektromagnetyczne o nieco innej częstotliwości. Wynika to z efektu ekranowego elektronów znajdujących się wokół tych jąder. Elektrony są również w stałym ruchu i także są obdarzone ładunkiem elektrycznym, dlatego ich ruch generuje pole magnetyczne, o innej biegunowości niż zewnętrzne pole magnetyczne generowane przez aparat NMR.

W rezultacie jądra atomów znajdują się faktycznie w nieco innym polu niż to generowane przez aparat NMR. Polu będącym wypadkową pola aparatu i pola generowanego przez elektrony. To wypadkowe pole jest różne dla każdego z jąder atomów tworzących daną cząsteczkę, bo wokół każdego z nich jest inny zbiór elektronów, wynikający z układu wiązań chemicznych. Powoduje to, że ten sam rodzaj jąder (np. wodoru), ale umieszczonych w innych miejscach cząsteczki, generuje w warunkach NMR promieniowanie elektromagnetyczne o nieco innej częstotliwości, i w rezultacie w widmie otrzymuje się zbiór ostrych sygnałów, których liczba odpowiada liczbie różnych chemicznie atomów występujących w danej cząsteczce. Jądra magnetyczne w cząsteczce absorbujące promieniowanie o tej samej częstotliwości nazywane są jądrami równocennymi chemicznie.

Położenie sygnału w widmie NMR jest określane za pomocą tzw. przesunięcia chemicznego. Przesunięcie chemiczne jest podzieloną przez częstotliwość nośną spektrometru NMR i pomnożoną przez czynnik 106 różnicą między częstotliwością absorpcji danego typu jąder chemicznych w substancji badanej a częstotliwością absorpcji tych jąder w substancji wzorcowej

Przesunięcia chemiczne w NMR wyraża się w ppm.

Zakresy wartości przesunięć chemicznych odpowiadające absorpcji przez jądra znajdujące się w otoczeniu określonych grup chemicznych są stabelaryzowane. Porównanie zarejestrowanych przesunięć chemicznych z wartościami tablicowymi umożliwia identyfikację struktury chemicznej badanego związku.

Substancja wzorcowa w spektroskopii NMR powinna być niereaktywna, tania, powinna absorbować promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie, w którym nie absorbują go substancje badane i dobrze rozpuszczać się w rozpuszczalnikach stosowanych do pomiarów. Substancją wzorcową w przypadku spektroskopii ¹H NMR i 13C NMR jest tetrametylosilan Si(CH3)4 (TMS).