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핵자기 공명분광기(NMR Spectrometer) 기본 원리 조그만 자석과 같은 원자핵에 자기장을 걸면, 무질서하게 흩어져 있던 핵들이 몇 가지 상태(에너지 상태)로 배열하게 된다. 원자핵은 이들 각 상태들의 에너지 차이에 해당하는 만큼의 전자기파를 흡수하여 낮은 데서 높은 에너지 상태로 옮겨간다. 이것을 공명현상이라고 한다. 원자핵이 공명상태가 되면 특정 주파수의 신호를 만드는데 이것을 측정하는 장치가 핵자기공명 분광기이다. 여기서 가장 중요한 것은 자기장(magnet)인데, 자기장이 세면 셀수록 분해능(resolution)과 감도(sensitivity)가 좋아 복잡한 물질도 분석이 쉽기 때문에 안정하고 균질하면서도 센 자기장을 얻으려고 애쓰고 있다. 참고로 600MHz란 1초에 6억번 진동하는 전자기파를 뜻하는데, NMR에서는 수소핵의 공명주파수가 600MHz에 해당하는 자기장의 세기를 나타내는 말로서 약 14.1 T (tesla, 1 T = 10000 Gauss) 정도이다. 활용 분야 자연에 존재하거나 또는 실험실에서 합성되는 화합물의 구조분석과 동력학적인 특성을 밝히기 위해 최근년에 들어 화학자들은 고분별능 핵자기공명분광기(NMR)를 많이 이용하고 있다. 1947년 화합물에서 핵자기공명 신호를 처음으로 발견한 이래 1970년대 초반 감도가 대단히 낮은 핵종의 신호를 기록할 수 있는 펄스-푸리에 변환기법(Pulse Fourier Transform)이 NMR 분광학에 응용되었다. 1980년대에 이르러 초전도 자석(superconducting magnet)이 NMR에 도입되고 정교하게 설계된 electronic device와 고도의 computer 기술이 이용됨으로 인하여 NMR 분광학은 매우 빠른 발전을 거듭하여 왔다. 특히 2D-NMR, 3D-NMR, 고체상태 NMR 및 영상 NMR(MRI) 기술 등도 눈부시게 발전하여 NMR을 이용한 연구분야는 기존의 화학뿐만 아니라 생물학, 재료공학 그리고 의학에까지 응용되고 있다. 일반적으로 화합물의 구조분석을 위해 사용되는 분광학적 분석방법(IR, UV, NMR 등)에서 얻어지는 정보는 스펙트럼의 분석으로 얻을 수 있으며, 또 얻어진 정보는 상호 보완적인 특징을 가지고 있다. 그러나 분자량이 큰 시료의 스펙트럼 해석에는 많은 어려움이 따르지만 NMR spectroscopy의 경우 2D-NMR 기법을 이용하면 보다 쉽게 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 용액상태에서 분자의 3차원 구조를 밝힐 수 있는 NOE(Nuclear Overhauser Enhancement) 효과를 이용함에 따라 생물학적 활성을 지닌 화합물의 용액 상태에서의 공간적 구조(conformation)에 대한 연구는 하루가 다르게 발전하고 있다. 그러나 분석하고자 하는 시료의 분자량이 크거나 시료의 농도가 낮을 경우 NMR은 고 자기장 magnet로 구성되어야 함은 필연적인 것이다. 현재 서울대학교 부설 기초과학교육연구공동기기원이 보유하고 있는 기종은 독일 Bruker사가 공급하는 Avance Series(DRX-600, DRX-500, DPX-300)이다. 우리가 보유한 300, 500, 600-NMR은 충분한 accessory를 포함한 400여종의 pulse program을 내장하고 있어 최근 전문학술지에 발표되는 모든 실험이 가능하다. 특히 ultrastable temperature control unit(BTO-2000)를 보유하고 있음으로 생물학 분야에서 특별히 요구되는 안정된 온도조건에서의 실험도 가능하다. NMR의사용에 있어서 중요한 또 하나의 부속품은 probe head인데 우리가 보유하고 있는 probe head는 DPX-300(5mm dual:1H/13C), 10mm dual:1H/13C), DRX-500(5mm QNP:1H/13C/31P/15N, 5mm dual:1H/19F, 10mm BB109Ag-31P, 5mm BBI:1H-109Ag, 5mm TXI:1H/13C/15N), DRX-600(5mm BBI:1H-109Ag, 2.5mm|5mm|8mm TXI:1H/13C/15N)로 구성되어 있다. 특히 Inverse 1H probe head는 감도(sensitivity)가 낮은 핵종들의 NMR signal을 감도가 높은 양성자(1H)를 통해 관측할 수 있도록 설계된 것이다. 이와 같은 probe head가 1990년부터 제작이 가능해짐에 따라 분자량이 비교적 큰 화합물의 구조 분석이 더 용이해졌다. 한 예로 분자량이 600 정도이고 수소 및 탄소 외에 몇 개의 헤테로원소를 포함한 화합물인 경우 10 mg 정도의 시료량으로도 이 화합물을 이루고 있는 핵종들의 1D- 또는 2D-NMR 기법에 의한 스펙트럼을 얻을 수 있다. 특히 생체에서 분리 정제된 화합물들은 대개 수용액 상태에서 시료 측정이 요구된다. 이와 같은 경우 Inverse 1H probe head는 대단히 유용하게 사용되며, 또한 Inverse 1H probe head에 의해서만이 이와 같은 시료의 측정이 가능하다. -서울대 공공 기기원 자료에서.. >흠...이것이 뭐하는데 쓰이는거죠?

제가 NMR을 알고싶었던이유는 이것이 단백질의 구조 분석에 이용된다길래 알고 싶었던것인데... 그럼 구체적으로 단백지 구조분석에 어떤식으로 사용되는 것인가요?

단백질은 아미노산으로 구성되어 있습니다. 아미노산을 원자 수준에서 보면 탄소, 수소, 질소, 그리고 산소로 대부분 이루어져 있습니다. NMR은 라디오와 비슷합니다. 라디오주파수를 사용하지요. 그리고 공명이 일어나야(방송국 주파수를 맞추어야) 소리가 납니다. 마찬가지로 NMR은 원자들이 가지고 있는 독특한 주파수(자장에 따라 달라짐)에 소리대신 신호를 얻어냅니다. 단백질 구조를 푼다는 말은 아미노산에 있는 수소, 탄소, 질소의 신호들(화학이동값이라고 부름)을 어디에서 온 것인지 지정한 다음 (아미노산마다 어떤 구조를 하고 있느냐에 따라 다른 값을 가집니다), 수소들간 얼마나 먼지 가까운지 거리 정보를 얻어 분자 동력학이나 여러 프로그램을 이용해 단백질 구조를 풉니다. 스위스의 Wuthrich 박사가 NMR을 이용해 단백질3차구조를 푸는 방법을 정립한 공로로 몇 년 전에 노벨상을 받았지요. 대충 답이 되었는지 모르겠네요. 보다 많은 정보를 알고 싶으면 Wuthrich라는 사람에 대해 알아보시지요. 그의 제자들이 전세계 퍼져서 열심히 연구하고 있으니까요.

>흠...이것이 뭐하는데 쓰이는거죠? 결과적으로 말하면 액체상태에서의 어떤 물질의 3차원 구조를 예측하고 분석할 수 있는 핵자기공명분광분석기입니다. 다시 말해 자연계 존재하는 유기물질들은 기본적으로 수소, 질소, 탄소 등으로 구성되어 있는데 이들의 위치가 주위에 존재하는 전기음성도가 각기 다른 원재핵종에 따라 구별이 가능하다는 것입니다. 첨부 URL을 참고하시기 바랍니다.

>흠...이것이 뭐하는데 쓰이는거죠? 첨부자료