핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance), 핵자기공명(NMR) 분광법의 원리 및 활용, 단백질 구조 결정 [물리세특, 생명과학세특]

소개

핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance)의 원리와 활용, NMR 분광법의 원리와 응용, 단백질 구조 결정에 사용되는 핵자기공명분광법에 대한 탐구수행 보고서입니다.

목차

Ⅰ. 탐구동기

Ⅱ. 탐구내용
1. NMR의 개념
2. NMR의 활용
(1) 단백질 구조 결정
(2) NMR 분광법의 응용
3. NMR 분광법의 원리
(1) 핵자기공명 분광법이란
(2) 화학적 이동(Chemical shift)
(3) NMR spectrum 분석

Ⅲ. 활동정리 및 요약

Ⅳ. 참고문헌

본문내용

NMR의 기본적인 원리는 원자내 양성자가 원자의 두 극을 중심으로 회전할 때 생기는 자기장을 이용하는 것이다. 회전하는(spinning) 원자핵들은 자기 모멘트를 가지고 있어 아주 작은 자석과도 같다. 이처럼 미세한 핵 자기 모멘트를 갖는 원자핵들은, 각각을 한 개의 미시적인 막대자석으로 생각할 수 있다. 한 개 또는 몇 개의 원자핵에 의해 만들어진 자성은 너무 작아서 측정할 수 없지만, 화합물을 구성하는 천문학적인 수의 원자핵들은 거시적인 자성을 형성하므로, 우리는 이 거시 자성의 행동을 공명 방법으로 측정하여 원하는 정보를 얻을 수 있다.
외부의 자기장이 존재하지 않을 때 핵 스핀은 무작위로 배렬된 상태이나, 외부에서 자기장을 걸어주면 핵 스핀은 외부 자기장과 같은 방향 또는 반대 방향으로 정렬된다. 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬될 경우에는 에너지 준위가 낮아지며, 반대 방향으로 정렬될 경우에는 에너지 준위가 높아진다. 이때 라디오파 정도의 주파수(고주파)를 외부에서 에너지로 제공해 주면, 핵 스핀은 에너지를 받아서 외부 자기장에 정반대 방향으로 스핀 상태를 변화시킬 수 있다. 화합물에서 각각의 원자가 가지고 있는 핵스핀의 강도가 다르기 때문에, 같은 세기의 자기장을 걸어 줘도 흡수하는 주파수가 다르다. 따라서 NMR에서 흡수하는 주파수를 측정함으로써 어떤 원자가 존재하는지를 추론할 수 있다.

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*NMR spectrum의 분석
NMR spectrum의 peak 값은 화학적 이동의 척도를 나타낸다. NMR spectrum에서 downfield 방향에 있을수록 높은 화학적 이동이 일어난 것을 뜻하기 때문에, 전자 밀도에 영향을 주는 요인을 고려하여 각 peak 값을 갖는 원자가 어떤 원자와 결합하여 있는지 예측할 수 있다.
한 지점에서 하나의 peak 값을 갖는 경우(singlet)도 있지만, ‘peak 갈라짐’ 즉, 다중 peak값을 가지는 경우(multiplet)도 있다. 이러한 peak 갈라짐이 일어나는 이유는 주변에 이웃한 같은 종류의 원자핵을 갖는 원자에 의해 상호작용이 발생하기 때문이다. 이웃하는 같은 종류의 원자핵의 개수가 n개인 경우 (n+1) 만큼의 peak 갈라짐이 발생한다. 이를 통해 분석 물질의 구조를 예측할 수 있다.

<중 략>

이러한 NMR 분광 분석은 주로 여러 유기 화합물의 분석과 화합물의 합성 확인을 위해 사용된다. 또한, 유기 화합물의 구조는 다양하고 복잡하기 때문에 화합물 내 여러 위치에서의 전자들의 가림 효과가 다르다는 점을 이용하여, 분자 내 여러 가지 양성자들이 공명을 일으키기 위해 필요한 자기장의 세기를 세심하게 측정함으로써 다음과 같은 두 가지 정보를 얻을 수 있다.

참고자료

· NMR: 핵자기공명 분광학 (이석근, 자유아카데미)
· 의학 속의 물리학, 자기공명영상, 송인찬, 1999년7/8월 제8권7/8호
· 단백질 접힘의 현재와 미래 (베율 리서치, 베율북스)
· Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
· https://www.sigmaaldrich.com/KR/ko/applications/analytical-chemistry/nuclear-magnetic-resonance?srsltid=AfmBOooObn-Hru257Ja-e51QnyiUqIqKOcMsnrOGYca3cc7podK-a_Nl
· 핵자기공명, 국가나노기술정책센터
· https://www.nnpc.re.kr/bbs/board.php?bo_table=02_01_02&wr_id=170&sca=%EB%82%98%EB%85%B8%EC%B8%A1%EC%A0%95
· 핵자기공명https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B5%EC%9E%90%EA%B8%B0_%EA%B3%B5%EB%AA%85
· NMR 분광법 https://microbenotes.com/nuclear-magnetic-resonance-nmr-spectroscopy/
· NMR 분광법 https://byjus.com/chemistry/nmr-spectroscopy/
· 핵자기공명분광법 https://en.wikipedia.org/wiki/
· 약물구조 정밀 규명 ‘핵자기공명 분석법’ 개발, "신약 개발 도움" 동아사이언스 2023.06.29 https://www.dongascience.com/news.php?idx=60446