核磁気共鳴分光（I）

核の磁性
原子核が磁気モーメントを持つことを活用し、磁石と電磁波を用いて分子を
調べる分光法が核磁気共鳴（NMR, Nuclear Magnetic Resonance）分光法
です。
核磁気共鳴分光（I）
1. 磁気共鳴概要
（分子科学研究所）
飯島隆広
磁場
H0
原子核の多くはスピンに基づく磁気モーメントを
もっており、磁石と相互作用する。
エネルギー E
核磁気共鳴の原理
量子化
されている
E
磁場 H
H=0
波長(m)
周波数(Hz)
108
3×10
106
3×102
104
3×104
102
3×106
1
3×108
10-2
3×1010
10-4
3×1012
10-6
3×1014
10-8
3×1016
10-10
3×1018
NMRの装置
超電導磁石
（H = 9.4 T）
超長波
長波
中波
短波
VHF
UHF
センチ波
ミリ波
赤外線
紫外線
H = H0
（～数T）
標準電波
船舶無線
AMラジオ
航空無線
FMラジオ、NMR
携帯電話、電子レンジ
衛星テレビ
レーダー、ESR
超伝導磁石
暖房器具
試料
NMRプローブ
可視光線
X線
X線撮影
γ線
10-12
NMR分光器
電波
E = h
共鳴
電磁波エネルギー
の吸収・放出
ワークステーション
NMR分光器
NMRプローブ
核磁気共鳴（NMR, Nuclear Magnetic Resonance）
NMRの測定
磁場
H0
z
z
サンプル全体
の磁化
90°
倒す
x
コイル
z
螺旋運動
（周波数’の回転
＋緩和）
y
電磁波
の照射
磁気共鳴の種類
平衡状態
に戻る
y
x
y
• 核磁気共鳴（Nuclear
Magnetic Resonance）
• 外部磁場あり
• 核スピンを利用
• 物理、化学、情報等の
分野で用いられる
• 磁気共鳴イメージング
（Magnetic Resonance
Imaging）
• 外部磁場あり
• 核スピンを利用
• 医療、顕微鏡等の分野
で用いられる
• 核四極共鳴（Nuclear
Quadrupole Resonance）
• 外部磁場なし
• 核スピンを利用
• 物理、化学等の分野で用
いられる
• 電子スピン共鳴（Electron
Spin Resonance）
• 外部磁場あり
• 電子スピンを利用
• 物理、化学等の分野で用
いられる
x
誘導起電力の測定
NMR信号
t
NMR
スペクトル
Fourier
変換
時間t (s)

’
周波数 (Hz)
’は核の置かれた環境により変化するため、
NMRで分子の構造を見ることができる。
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磁気共鳴の活躍の場：医療
磁気共鳴の活躍の場：化学
NMR装置（JEOL社）と分子構造解析
の研究例（JACS 134, 9022 (2012)）.
MRIの装置と画像診断の例
（日立メディコ社）.
MRI (Magnetic Resonance Imaging)は、磁気共鳴を画像解析に応用したもので、病院等で
用いられています。磁場の勾配を作ることにより、3次元空間を認識します。
磁気共鳴の活躍の場：物理
反強磁性の不整合構造の研究例
（JPSJ 80, 033705 (2011)）.
スピンフラストレーションの研究例
（PRB 82, 094430 (2010)）.
物理の分野では、主に物質の電子の構造を調べるにためにNMR・ESR・NQR
が用いられています。
磁気共鳴の活躍の場：顕微鏡
化学の分野では、主に分子の構造解析にNMR・ESR・NQRが用いられて
おり、これらの装置は多くの大学等の研究機関に設置されています。
磁気共鳴の活躍の場：情報
7qubitのNMR量子計算
（Nature 414, 883 (2001)）.
多qubit型のNMR量子計算
機のモデル（Nature 393,
133 (1998)）.
次世代の計算機として量子計算機が注目されています。これに磁気共鳴を
利用するものが提案されており、実用に向けた研究が進められています。
磁気共鳴の活躍の場：探知機
磁気共鳴顕微鏡のプローブ
の概要と測定例（IBM社）.
NQRの技術を取り入れた地雷
探知機（米ONR）.
磁気共鳴とAFM (Atomic Force Microscope)の技術を組み合わせた
ナノスケールのMRIです。
NQRは外部磁場が必要ないため、フィールド活動にも応用されています。
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