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안녕하세요 @chosungyun입니다. 
저번까지의 MRI 포스팅에서 보았듯이 NMR이라는 핵 자기 공명현상은 물질을 분석하는데 있어 파괴하지 않고 분석할 수 있습니다. 
그래서 MRI를 통해 사람의 병을 진단하는 것뿐만 아니라 물질의 구조를 분석할 때도 사용이 가능합니다. 
이를 NMR 분광기라고 하는데 기본적인 원리는 모두 MRI와 동일합니다. 

하지만 추가적으로 오늘 더 설명할 것은 NMR분광기의 구조와 분석하는데 알아야만 하는 개념을 소개하고자 합니다. 

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#### NMR 분광기의 구조 
위 그림과 같이 생겼는데 왼쪽의 박스는 데이터를 받아오고 제어하는 장치가 들어있는 설비이고 분광을 담당하는 장비는 오른쪽 장비입니다. 
우선 원통으로 되어 있고 구조를 분석하고자 하는 대상은 윗부분에서 삽입을 하도록 되어 있습니다. 

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그리고 내부를 들여다보면 자석이 시료의 양쪽에 존재해 자기장이 걸리도록 장치가 되어 있고 그 시료의 주변에 라디오파를 걸어주기 위한 장치가 있고 또한 시료에서 발생하는 공명 신호를 받아오는 설비가 있습니다. 
추가적으로 내부에 He과 N가스가 존재함을 볼 수 있는데 이는 높은 자기장을 발생함에 따라 고온의 열이 방출되므로 이 열을 단열하기 위해 충전한다고 합니다. 

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이러한 설비들로 아래의 그림처럼 스펙트럼을 얻을 수 있는데 이를 분석하는데 있어서 3가지 요소가 있습니다. 

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#### 스펙트럼 분석 
스펙트럼 상에 나타나는 값을 보았을 때 각각의 피크값이 나타내는 정보를 우리는 파악해야 합니다. 그래서 분석하는데 있어서는 chemical shift와 spin spin coupling, peak의 면적에 대해 알아야 합니다. 
하나 하나 천천히 알아보겠습니다. 
그전에 하나 약속할 것이 하나 있습니다. 제가 설명하는 내용은 1H-NMR에 관한 내용입니다. 
즉, MRI처럼 수소의 공명을 대상으로 하기 때문에 수소를 가진 물질이 대상입니다.
하지만 분광기는 1H뿐만 아니라 탄소를 비롯해 몇몇 NMR 분광기가 있습니다. 
그래도 1H-NMR을 대상으로 설명하지만 기본적인 개념은 똑같습니다. 

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(TMS)</center>

#### 기본적인 스펙트럼 구성 
피크가 나타내는 값을 분석하기 위해 표준되는 값이 필요한데 이를 TMS라는 탄소 실리콘 결합의 화합물을 사용하여 분석합니다. 
또한 스펙트럼의 가로축에 해당하는 ppm값은 분자에 포함된 수소가 상대적으로 흡수되는 주파수를 나타내는 단위입니다. 
즉, 오른쪽으로 갈수록 높은 주파수에서 공명함을 말하며 이 값은 TMS라는 구조를 알고 있는 물질을 기준으로 상대적으로 평가하게 됩니다. 

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##### Chemical shift 
물질은 보통 원자 하나로 존재하지 않습니다. 
보통 안정된 상태로 존재하기 위해 결합을 통한 분자상태로 존재하게 됩니다. 
그래서 분자에 따라 결합한 정도가 다릅니다. 

즉, 강하게 결합된 물질도 있고 비교적 약하게 결합된 물질도 있을 겁니다. 
그런데 여기서 하나 명심해야 할 점이 생기게 됩니다. 
분명 전의 NMR 공명에 관한 포스팅에서도 언급했듯이 자기장에 의해 공명되는 대상은 핵이었고 이 핵은 양전하를 나타내는 양성자였습니다. 
여기서도 마찬가지입니다. 
양성자를 공명시킬 자기장을 걸어주게 됩니다. 

그런데 뭐가 문제일까요? 
우리가 잊은 존재들이 있기 때문입니다. 
바로, 전자들입니다. 
전자들은 외부에서 걸리는 자기장에 반대되는 유도 자기장을 형성합니다. 
그런데 이 자기장이 무슨 큰일을 하겠습니까? 
외부에서 걸리는 자기장에 비하면 무수히 작은 자기장일 겁니다. 
하지만 이 미세한 차이는 약간의 피크의 변화를 줍니다. 

그래서 분자가 이중결합을 했는지 삼중결합을 했는지를 분석하는데 도움을 줍니다. 
삼중결합과 같이 전자에 의한 유도자기장이 큰 물질이라면 조금 더 높은 외부 자기장을 요구할것이고 ppm도 오른쪽으로 옮겨지게 됩니다. 
반대의 경우는 스펙트럼 상에서 예상보다 왼쪽에 나타나게 됩니다. 

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##### Spin spin coupling 
스핀 간의 상호작용에 의한 효과를 말합니다. 
이 개념은 조금 이해하기 힘든 부분이 있지만 그래도 간략하게 설명하겠습니다. 
분자결합을 하고 있는 분자 내에서 각각의 수소 핵스핀들은 결합된 상태에 따라 가까울 수도 멀수도 있습니다. 

그럼 이때 핵스핀들끼리 가까울수록 서로가 가진 스핀 자기 모멘트에 의해 상호작용이 발생하게 되고 이것은 분자 결합 내에서 발생합니다. 
그런데 핵스핀들은 스핀의 상태가 업스핀, 다운스핀일 확률이 1/2 입니다. 물론 공명을 걸게 되면 제만효과에 의해 다운스핀의 상태가 더 많겠지만 확률은 여전히 1/2입니다. 
즉, 두개가 존재한다면 둘다 업상태일수도 있고 둘다 다운상태일수도 있고 업다운 혹은 다운 업일수도 있습니다. 
둘다 업상태일때는 유도 자기장 차폐가 강해지는 효과가 존재하고 둘다 다운상태일때는 유도 자기장이 약해지며 업다운일때는 서로 상쇄시켜 효과가 발생하지 않습니다. 

이러한 이유로 Chemical shift와 유사하게 ppm이 이동하는 현상이 발생하게 되는데 업스핀일 경우와 다운스핀일 경우가 존재하므로 피크가 같은 분자임에도 불구하고 더 큰 자기장에서 공명하는 분자도 있고 더 작은 자기장에서 공명하는 분자도 존재하게 됩니다. 

이러한 차이는 매우 미세하여 피크가 크게 벗어나지 못합니다. 그래서 스펙트럼 상에서 피크가 갈라지듯이 관찰이 되는데 이러한 이유로 spin spin splitting이라고도 합니다. 
이러한 갈라짐은 (n+1) 이라는 규칙에 따라 핵스핀의 이웃한 숫자+1만큼 갈라짐이 발생한다고 설명합니다.  
즉, 이웃한 핵스핀이 5개라면 6개의 피크 갈라짐이 발생하는 구조를 볼 수 있습니다. 
이러한 이유로 피크갈라짐은 수소가 어떤식으로 결합되어 있는지 분석하는데 도움이 됩니다. 

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##### 피크의 면적 
마지막으로 살펴볼 인자는 피크의 면적입니다. 
뾰족한 피크의 면적은 피크의 높이가 높을수록 커지게 됩니다. 
즉, 피크가 크게 나오게 되면 그 신호는 양성자수가 많음을 알려줍니다. 
위 스핀스핀 갈라짐과 달리 양성자인 수소가 굳이 이웃하지 않더라도 이 신호에서는 많음을 알려줍니다. 
즉, 극단적으로 보자면 피크는 높지만 갈라짐이 발생이 적다면 이웃한 핵스핀은 적지만 양성자는 많은 구조를 가진 것이고 갈라짐도 많다면 많이 이웃함을 알 수 있습니다. 

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#### 다차원 NMR 
앞서 소개한 내용들은 기본적인 분석방법이고 MRI와 마찬가지로 펄스를 주는 방법에 따라 1차원 스펙트럼이 아닌 2차원 나아가 3차원 이미지를 얻을 수 있습니다. 
쉽게 말하면 하나의 스펙트럼을 x축이라 한다면 y축과 z축에 대해서도 동일한 방법으로 스펙트럼을 구하면 분자구조를 3차원으로 분석해낼 수 있습니다. 


오늘 소개한 NMR 분광기는 오래전에 학과에서 발표할 일이 있어 잠시 공부한 내용인데 MRI를 소개하는 기회에 마지막에 잠시 소개하면 괜찮겠다 싶어서 소개합니다. 잠깐 공부한 내용이라 깊고 자세한 설명을 드리기에는 힘드네요. 
만약 다음에 조금 더 공부를 하게 된다면 더 자세히 올려보도록 하겠습니다. 
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!



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#### “*해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글이미지입니다*” </center>

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