Kodolu magnētiskā rezonanse (KMR) ir fizikāla parādība, kas saistīta ar kvantu mehāniskām pārejām starp atomu kodolu spinu apakšlīmeņiem ārējā magnētiskā laukā. Eksperimentāli pārejas starp spinu apakšlīmeņiem var ierosināt, apstarojot paraugu ar radiofrekvences elektromagnētiskā starojuma impulsiem. KMR spektroskopijā tiek pētītas frekvenču nobīdes, pie kurām izpildās rezonanses nosacījums, kas sniedz detalizētu informāciju par kodolu ķīmisko apkārtni pētāmajā vielā.

KMR spektroskopija nodarbojas ar strukturālu nianšu raksturošanu atomārā mērogā. Uz KMR bāzes ir attīstītas daudzveidīgas pētniecības metodes, kas pielāgotas ķīmijas, bioloģijas, fizikas un medicīnas nozaru pētījumiem. Bagātīgās informācijas avots ir nobīdes un struktūra radioviļņu absorbcijas spektros izvēlētu atomu kodolos, kas atspoguļo to ķīmisko apkārtni. Līdz ar to KMR var sniegt ieskatu sarežģītu molekulu elementu sastāvā un sadalījumā, kā arī transformācijās dinamisku procesu laikā. KMR ir viena no galvenajām metodēm ķīmisku savienojumu identifikācijā un kvantificēšanā; mūsdienās sevišķi aktuāli ir proteīnu struktūras, funkcionalitātes un mijiedarbības pētījumi, lai izprastu procesus, kas ir dzīvības norišu pamatā. Farmācijas rūpniecībā KMR metodes plaši izmanto kvalitātes kontrolē, jaunu zāļu izstrādē un to iedarbības raksturošanā. Medicīnā nozīmīga ir uz KMR efekta bāzes izstrādātā magnētiskās rezonanses tomogrāfijas (magnetic resonance imaging, MRI) tehnoloģija neinvazīvai audu un orgānu diagnostikai pacientos.

Mūsdienās visplašāk izplatītā ir Furjē transformācijas (Fourier transform, FT) KMR (FT-NMR) spektroskopija. Sarežģītas radiofrekvenču starojuma impulsu sekvences veido bāzi vairākdimensiju (multi-dimensional) KMR eksperimentiem. Ar anizotropu mijiedarbību raksturošanu cietvielās nodarbojas cietvielu (solid-state) KMR (ssNMR) spektroskopija. KMR spektrometru sistēmu zondes klasificē pēc pētāmā izotopa, no kuriem organiskajā ķīmijā sevišķi svarīgi ir ¹H un ¹³C. Medicīnā plaši izmanto MRI, kuras darbības pamatā arī ir KMR parādība.

KMR spektrokopija balstīta kvantu fizikas principos. Atomu kodolu magnētiskās īpašības nosaka kvantu mehānisks iekšējā kustības daudzuma momenta raksturlielums – spins –, kura vērtība ir atkarīga no kodola iekšējās struktūras. Ja kodola sastāvā ir nepāra skaits protonu un/vai neitronu, tā spinam ir nenulles vērtība, kā rezultātā kodolam piemīt arī magnētiskais moments un ir iespējams novērot KMR efektu. Kodolu magnētisko momentu var iztēloties kā miniatūru magnētisku stienīti, kas var nostāties noteiktās diskrētās orientācijās attiecībā pret ārējo magnētisko lauku – kodolam ar spinu I ir iespējamas M_I = 2I+1 dažādas orientācijas. Katram stāvoklim ir noteikta enerģijas vērtība, kas atkarīga no ārējā lauka stipruma. Par KMR sauc pāreju starp kodola spina apakšlīmeņiem, tam absorbējot atbilstošas enerģijas elektromagnētiskā starojuma kvantu. KMR spektroskopijā izmanto radiofrekvenču starojumu 20‒1200 MHz diapazonā, kas tiek izvēlēts atkarībā no pētāmā kodola veida un magnētu sistēmas tehniskajām iespējām. Elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) spektroskopijā pretstatā tiek izmantots augstākas enerģijas mikroviļņu starojums (1‒300 GHz), jo elektronu magnētiskais moments ir par vairākām kārtām lielāks to mazākās masas dēļ.

Vielā esošie elektronu mākoņi ekranē (shield) magnētisko lauku, kam tiek pakļauts kodols, kā rezultātā dažādiem kodoliem KMR nosacījums izpildās pie atšķirīgām radiofrekvences vērtībām. Kvantitatīvai efekta raksturošanai ir ieviests ķīmiskās nobīdes (chemical shift) parametrs δ, kas tiek definēts relatīvi pret kādu etalonparaugu:

¹H un ¹³C KMR spektroskopijā par atskaites paraugu parasti izmanto tetrametilsilānu (tetramethylsilane, Si(CH₃)₄). Ķīmiskā nobīde ir viens no galvenajiem KMR spektru raksturlielumiem, kas satur informāciju par pētāmo kodolu tuvāko apkārti, turklāt tas nav atkarīgs no eksperimentā izmantotās magnētiskā lauka vērtības. KMR spektros reizēm izšķirama spektrāllīniju sašķelšanās sīkākā struktūrā kodolu spinu J mijiedarbības (J coupling; devēta arī par skalāro mijiedarbību – scalar coupling) dēļ. Šī mehānisma rezultātā informācija par blakusesošu kodolu spinu stāvokli tiek pārnesta caur elektronu mākoņiem, kas veido ķīmiskās saites. KMR spektru analīze ļauj identificēt vielu veidojošos atomus, kā arī spriest par to ģeometrisko izkārtojumu sarežģītās molekulās.

Gandrīz visi mūsdienu KMR spektrometri izmanto impulsu radiofrekvenču avotus un Furjē transformācijas matemātisko analīzi. Šādos eksperimentos pētāmo kodolu spinu magnētiskie momenti tiek aprakstīti ar magnetizācijas (magnetization) vektoru M₀, kas sākotnēji tiek orientēts ārējā lauka virzienā. Radiofrekvences starojuma impulss ierosina KMR, izmainot magnetizācijas vektora virzienu. Pēc impulsa beigām magnetizācijas vektors pakāpeniski atgriežas sākotnējā stāvoklī, un uztvērējā tiek mērīts brīvās indukcijas dzišanas (free induction decay, FID) signāls. Veicot FID signāla Furjē transformāciju, tiek iegūts raksturīgais KMR spektrs frekvenču mērvienībās. Signāla un trokšņu attiecības palielināšanai, kā arī strukturālu nianšu pētīšanai lielās molekulās KMR spektroskopijā tiek konstruēti eksperimenti ar sarežģītām impulsu sekvencēm.

Galvenā KMR spektroskopijas metode ir Furjē transformācijas KMR. Spektrometra galvenās komponentes ir magnēta sistēma, starojuma avots, konsole, zonde un vadības elektronika. Ārējā magnētiskā lauka radīšanai tiek izmantota cilindriska supravadoša elektromagnēta sistēma, kas atrodas šķidrā hēlija kriostatā. Supravadošos materiālos, piemēram, niobija titāna (NbTi) sakausējumos, izzūd elektriskā pretestība, ja tie tiek nodzesēti līdz ļoti zemām temperatūrām. Rezultātā šādi materiāli var vadīt stipru strāvu, kas ģenerē spēcīgu magnētisko lauku – KMR pielietojumiem tipiskas lauka ir vērtības ir 1‒21 teslu (T) diapazonā. Šķidrā hēlija djuāram apkārt ir izveidota šķidrā slāpekļa tvertne, lai ekranētu magnētu no istabas temperatūras. Paraugturi ar pētāmo vielu magnēta cilindriskajā atvērumā ievieto no augšas un līdz zondes pozīcijai nolaiž ar automatizētu pneimatisko sistēmu. Zondē ir iebūvētas komponentes parauga temperatūras kontrolei un radiofrekvenču starojuma pārraidei un detektēšanai. KMR jāreģistrē frekvenču nobīdes ppm mērogā, tādēļ augstas izšķirtspējas rezultātiem svarīga ir mērījumu stabilitāte laikā un telpā. Magnētiskā lauka telpiskās homogenitātes korekcijas parauga pozīcijā tiek veiktas ar speciālām spolēm (shim coils), savukārt, stabilitāti laikā nodrošina lauka koriģēšanas sistēma (field lock), kas mērījumu laikā uztur konstantu atskaites kodola (parasti deitērija) rezonanses frekvenci. Lai mazinātu mehānisku vibrāciju un apkārtnes trokšņu ietekmi, magnēta sistēma tiek novietota uz speciāliem balstiem.

Pat relatīvi vienkāršu organisko molekulu viendimensiju ¹H un ¹³C KMR spektru struktūra var būt pārāk sarežģīta, lai visas līnijas viennozīmīgi interpretētu. Divdimensiju (2D) KMR apvieno metožu kopu, kurā KMR spektri tiek pētīti kā funkcija no vairākiem laika parametriem. Šādos eksperimentos tiek uzņemta FID signālu sērija, variējot laika intervālus starp pievadītajiem impulsiem vai to sekvencēm. Furjē transformācijas rezultātā tiek iegūts spektrs ar frekvenču nobīdēm divās dimensijās, kas sniedz detalizētāku ieskatu kodolu spinu telpiskajā sasaistē sarežģītās molekulās. Nozīmīgas 2D KMR metodes ir homonukleārā (magnetizācija tiek pārnesta starp viena veida kodoliem) korelācijas spektroskopija (correlation spectroscopy, COSY un total correlation spectroscopy, TOCSY), heteronukleārā (magnetizācija tiek pārnesta starp dažāda veida kodoliem) korelācijas spektroskopija (heteronuclear single-quantum correlation spectroscopy, HSQC un heteronuclear multiple-quantum correlation, HMQC) un kodola Overhausera efekta spektroskopija (nuclear Overhauser effect spectroscopy, NOESY).

Objektus cietā agregātstāvoklī pēta cietvielu KMR spektroskopija. Pretstatā šķidrumiem cietās vielās no virziena atkarīgās (anizotropās) dipolu-dipolu un kodolu kvadrupolās mijiedarbības netiek novidējotas, līdz ar to KMR spektrus veido platas, grūti interpretējamas apliecējas, kas centrētas ap raksturīgajām rezonanšu frekvenču vērtībām. Izšķirtspējas uzlabošanai cietvielu KMR mērījumu laikā paraugs tiek ātri rotēts 54,74° leņķī attiecībā pret magnētisko lauku (magic-angle spinning, MAS); signāla un trokšņu attiecības uzlabošanai tiek izmantota polarizācijas pārnese starp kodolu spinu ansambļiem (cross polarization, CP).

MRI ir uz KMR balstīta attēlveidošanas tehnika neinvazīvai dzīvu organismu anatomijas diagnostikai un fizioloģisko procesu pētījumiem. Medicīniskos izmeklējumos galvenokārt tiek pētīts KMR efekts ūdens molekulu veidojošos ¹H kodolos. Telpisku informāciju par kāda parametra sadalījumu nodrošina magnētiskā lauka gradienti, ar kuriem selektīvu KMR var ierosināt izvēlētā pētāmā objekta šķēlumā. MRI magnētu sistēmās jānodrošina liels atvērums pacientu pozicionēšanai; lai strukturālās nianses būtu labāk izšķiramas, pacientos var ievadīt gadolīniju saturošas kontrastvielas.

Pirmie KMR efekta pētījumi izmantoja kalorimetrisku detektēšanas principu, reģistrējot temperatūras izmaiņas rezonanses iestāšanās brīdī, taču tie bija neveiksmīgi. 1937. gadā amerikāņu fiziķis Izidors Rabi (Isidor Isaac Rabi) publicēja rakstu, kurā aprakstīts pirmais veiksmīgais KMR eksperiments. I. Rabi ar kolēģiem pētīja litija hlorīda (LiCl) molekulu kūļa uzvedību konstantā ārējā magnētiskā laukā, kas vienlaicīgi ir pakļauts perpendikulāram 3,5 MHz frekvencē oscilējošam laukam. Eksperimentā tika pakāpeniski palielināta ārējā lauka vērtība. Iestājoties rezonanses brīdim, detektorā novēroja kūļa intensitātes samazināšanos. Par izstrādāto metodi I. Rabi 1944. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. KMR efektu kondensētā vidē neatkarīgi atklāja amerikāņu fiziķa Edvarda Parsela (Edward Mills Purcell) grupā Hārvarda Universitātē (Harvard University) un šveiciešu izcelsmes amerikāņa fiziķa Fēliksa Bloha (Felix Bloch) grupā Stenforda Universitātē (Stanford University) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV). Pētījumi atšķīrās ar metodiku – E. Parsela eksperimenti bija balstīti uz radiofrekvenču starojuma absorbcijas mērījumiem rezonanses brīdī, kamēr F. Bloha pieejā tika raksturota magnetizācijas vektora rotācija, mērot spolē inducētu strāvu. Abas realizācijas sekmēja turpmāko KMR metodikas attīstību, un to izstrādātāji 1952. gadā dalīja Nobela prēmiju fizikā.

Sākotnēji tika sagaidīts, ka rezonanses frekvence ir kodolu raksturojošs fizikāls lielums, kas atkarīgs tikai no kodola veida un ārējā lauka vērtības, taču drīz atklājās, ka atšķirīgos ķīmiskajos savienojumos KMR frekvences vienam un tam pašam kodolam var atšķirties. 1951. gadā Stenforda Universitātes fiziķis Martins Pakards (Martin Packard) ar studentiem Džeimsu Ārnoldu (James Arnold) un Šrinivāsu Darmati (Srinivas Dharmatti) demonstrēja frekvenču nobīžu pielietojamību neekvivalentu ¹H kodolu identifikācijai etanolā (CH₃CH₂OH). Tas bija pavērsiena punkts organiskajā ķīmijā, un kopš tā laika KMR spektroskopija tiek plaši pielietota molekulu struktūru pētījumos.

KMR tiek pētītas pārejas starp kvantu mehāniskiem stāvokļiem, kuru enerģijas vērtību atšķirības ir nelielas, kā rezultātā jutība ir zemāka, salīdzinot ar citām spektroskopijas metodēm. Jutības uzlabošanai 20. gs. 60. gados tika ieviesta koherenta signāla vidējošana, bet 1966. gadā šveiciešu zinātnieks Rihards Ernsts (Richard Robert Ernst) ar amerikāņu fiziķi Vestonu Andersonu (Weston Anderson) veiksmīgi demonstrēja KMR signāla detektēšanu, izmantojot radiofrekvenču impulsu ierosmi un Furjē transformācijas analīzi. Vēl viens būtisks nosacījums jutības un izšķirtspējas palielināšanai bija spēcīga un homogēna ārējā magnētiskā lauka nodrošināšana. FT-KMR metodika, supravadošu magnētu sistēmas un datertehnoloģiju uzplaukums ļoti ietekmēja turpmāko KMR spektroskopijas attīstību.

1971. gadā beļģu fiziķis Žans Džēners (Jean Louis Charles Jeener) ierosināja divdimensiju KMR eksperimentu koncepciju, kuru līdz praktiskai metodei pilnveidoja R. Ernsts. R. Ernstam 1991. gadā piešķirta Nobela prēmija ķīmijā par ieguldījumu augstas izšķirtspējas KMR spektroskopijā. Sekoja strauja vairākdimensionālo KMR spektroskopijas metožu attīstība, kas pavēra jaunas iespējas sarežģītu ķīmisko savienojumu pētījumos. 20. gs. 70. gadu beigās šveiciešu ķīmiķis Kurts Vitrihs (Kurt Wüthrich) vairākdimensionālās KMR metodes pielāgoja proteīnu pētījumiem. Viņam izdevās iegūt informāciju par makromolekulu trīsdimensionālo struktūru atomārā līmenī, par ko viņu 2002. gadā apbalvoja ar Nobela prēmiju ķīmijā.

KMR medicīnisko pētījumu kontekstā nozīmīgs ir amerikāņu zinātnieka Reimonda Dimeidiana (Raymond Vahan Damadian) darbs, kurā viņš parādīja, ka KMR efektu raksturojošs parametrs – relaksācijas laiks – audzējos un veselos audos būtiski atšķiras. 1973. gadā amerikāņu fiziķis Pols Loterbērs (Paul Christian Lauterbur) publicēja rakstu, kurā tika aprakstīta KMR principā balstīta attēlveidošanas tehnika, ar kuru rezonansi bija iespējams ierosināt izvēlētā telpas apgabalā. Britu fiziķis Pīters Mensfīlds (Peter Mansfield) tehnoloģijai veica praktiskus uzlabojumus un attīstīja matemātiskās metodes ātrai signāla analīzei, kas lika pamatus MRI. Abiem MRI tehnoloģijas aizsācējiem 2003. gadā piešķirta Nobela prēmija medicīnā.

Noteicošais faktors KMR jutībā un izšķirtspējā ir magnētiskais lauks, pie kura tiek veikts eksperiments, tādēļ viens no mūsdienu izaicinājumiem ir izveidot magnētu sistēmas, kas nodrošinātu pēc iespējas spēcīgāku un homogēnāku lauku. 2020. gadā uzņēmums “Bruker BioSpin” sācis komerciālu 1,2 GHz KMR spektrometru sistēmu uzstādīšanu, kuras nodrošina 28,2 T lauku. Pasaulē spēcīgākais lauks (36 T) KMR spektroskopijas eksperimentu veikšanai ir pieejams Nacionālajā augstā magnētiskā lauka laboratorijā (National High Magnetic Field Laboratory, NHMFL) Floridas Pavalsts universitātē (Florida State University) ASV. Pavērsiena punktu nozares turpmākā attīstībā iezīmē augsttemperatūras supravadītāju (high temperature superconductor) izmantošana magnētu sistēmu izstrādē. Vēl viens nozīmīgs faktors pētniecībā, sintezēto vielu kvalitātes kontrolē un kriminālistikas analīzē ir KMR spektroskopijas pieejamība, ko var nodrošināt kompakti “galda” KMR spektrometri.

KMR spektroskopija ir svarīga organiskās ķīmijas metode vielu molekulārās struktūras pētījumiem, sintēzes produktu kontrolei un reakciju monitorēšanai. Liela daļa mūsdienu bioloģisko pētījumu veltīti proteīnu struktūras, dinamikas un mijiedarbības raksturošanai atomārā līmenī, izmantojot KMR spektroskopiju. Proteīni nodrošina ķermeņa homeostāzi, vielmaiņas procesus, muskuļu un imūnsistēmas darbību, kā arī citas dzīvības norisēm svarīgas funkcijas. Aktuāls pētījumu virziens ir proteīnu lomas izpēte slimībās un vīrusos, tajā skaitā arī SARS-CoV-2 (COVID-19).

Medicīnisko pētījumu kontekstā minamas vairākas relatīvi jaunas MRI variācijas – magnētiskās rezonanses mikroskopija (magnetic resonance microscopy, MRM), kas ļauj veikt augstas telpiskās izšķirtspējas uzņēmumus mikroskopiskā līmenī, un funkcionālā magnētiskās rezonanses tomogrāfija (functional magnetic resonance imaging, fMRI) smadzeņu aktivitātes pētījumiem.

Nacionālajā augstā magnētiskā lauka laboratorijā ASV ir unikāla aparatūra KMR eksperimentu veikšanai spēcīgos magnētiskos laukos. Pasaulē nozīmīgas pētniecības grupas Eiropā, kurās pieejama 1,2 GHz "Bruker" KMR sistēma, ir Florences Universitātes (Università degli Studi di Firenze) Magnētiskās rezonanses centrā (Centro Risonanze Magnetiche, CERM) Itālijā, Ķīmijas un lietišķo biozinātņu departaments (Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften) Šveices Federālajā Tehnoloģijas institūtā Cīrihē (Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich) un Maksa Planka Biofizikas institūtā (Max-Planck-Institut für Biophysik) Vācijā.

KMR spektroskopijas pētījumi tiek iekļauti daudzu, ķīmijas, bioloģijas, dzīvības zinātņu un fizikas nozaru žurnālu publikācijās, pasaulē nozīmīgi ir Nature izdevniecības žurnāli (kopš 1869. gada; izdevējs Nature Research), kuros tiek publicēti visu minēto nozaru pētījumi. Viens no nozīmīgākajiem periodiskajiem izdevumiem, kurā publicē KMR spektroskopijas teorijai un pielietojumiem veltītus pārskata rakstus, ir Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (kopš 1965. gada; izdevējs Elsevier). Svarīgi medicīnas nozares žurnāli ir Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance (kopš 1999. gada; izdevējs Springer Nature), Magnetic Resonance in Medicine (kopš 1984. gada; izdevējs Wiley-Blackwell) un Journal of Magnetic Resonance Imaging (kopš 1991. gada; izdevējs Wiley-Blackwell). Jaunākie pētījumi bioloģijā un ķīmijā kompleksu struktūru un procesu analīzē ar KMR spektroskopiju tiek publicēti tādos žurnālos kā Journal of the American Chemical Society (kopš 1879. gada; izdevējs Amerikas Ķīmijas biedrība, American Chemical Society) un Journal of Biological Chemistry (kopš 1945. gada; izdevējs Amerikas Bioķīmijas un molekulārās bioloģijas biedrība, American Society for Biochemistry and Molecular Biology). Journal of Magnetic Resonance (kopš 1997. gada; izdevējs Elsevier) ir Starptautiskās Magnētiskās rezonanses biedrības (International Society of Magnetic Resonance, ISMAR) oficiālais žurnāls, kas specializējies dažādos tehniskos un zinātniskos magnētisko rezonanšu aspektos.