NMR을 찍을 때 Shimming과 Locking이란?

 

 

NMR (Nuclear Magnetic Resonance, 핵 자기 공명)은 기본적인 유기화합물의 구조 분석 외에도 많은 분야에서 사용되고 있는 쉽고 간편하면서도 매우 정확하게 많은 정보를 얻을 수 있는 분광학 기법이다.

 

NMR의 피크가 나타나는 것은 간단하게, 핵스핀이 짝을 이루지 않은 원자에 대해서 이 핵스핀이 서로 반대로 있음으로 인해 나타나는 에너지 차이에 대해서, 이에 상응하는 주파수를 가했을 때 공명하는 현상을 통한 흡수 파형을 관찰하는 것이라고 할 수 있다. 그래서 핵스핀이 0이 아닌 원자들, 1H, 13C, 15N 과 같은 여러 핵종에 대해서 우리는 중요한 정보들을 얻을 수가 있다.

 

핵스핀 사이의 에너지 차이에 대한 공명주파수를 가하는 건 그렇다 치고, 기기실에서 수동으로 NMR을 조작하거나 혹은 오퍼레이터가 조작해주는 기기 화면을 보다 보면 locking과 shimming을 조정하는 것을 매번 볼 수 있을 것이다 (혹은 그게 뭔지 모르지만 지직거리는걸 평평하게 만들고, 어떤 수치를 최대치까지 올리는 과정을 반복하는 과정). 용매가 무엇인지도 물어보고, 계속 움직이는 파형을 일직선으로 만들어주는가 싶더니 게이지같은 것을 최대치로 올리고서는 금방 파형을 휘리릭 만들어 내는 것을 보고, 아니 저 전처리 작업은 무엇을 위한 것인가 궁금했던 한 사람으로서 이 내용을 정리해두고 싶었다. 왜냐하면 분광학책에는 NMR 기기 작동법보다는 NMR에 대한 이론과 이를 통해 나타난 스펙트럼의 해석만 담기에도 지면이 부족하기 때문이다. 

 

 

 

#1. Locking

 

 

 NMR 기기는 핵스핀의 에너지 차이를 만들기 위해서 무분별하게 배향 (orientation) 되어있는 핵종에 큰 자기장을 가한다. 그러면 대체로 많은 핵종들은 자기장의 방향과 같은 방향으로 향하고, 일부 핵종이 반대 방향으로 향하게 된다. 이 배향이 완료된 다음에 에너지 차이만큼의 공명주파수를 가하게 되는 것이다. 이들 핵종을 자기장에 대해서 배향시키려면 매우 큰 자기력을 가진 자석이 필요하게 되는데, 이러한 자기력의 세기는 시간이 지남에 따라서 일정하게 감소하는 패턴을 보인다.

 

 자기장에 민감하게 반응하는 기기인만큼, 찍는 시간 동안에 일어나는 자기장의 변화는 샘플이 나타내는 피크의 해상도에 영향을 미치게 된다 (피크의 넓이, 각 피크의 갈라짐 정도). NMR은 종종 카메라에 비유되곤 하는데, 자기장의 변화는 일종의 손떨림이라고 봐야겠다. 우리가 얻는 최종적인 NMR 스펙트럼은 우리가 원하는 사이클만큼의 스펙트럼을 합쳐놓은 것이다. 이렇게 겹침으로 인해서, 피크들의 해상도를 높일 수 있다. 하지만 이것은 여러장의 사진을 통해서 선명한 사진을 얻겠다는 것과 비슷한데, 여기에 흔들린 사진이 찍혀있으면 전체의 해상도가 떨어지듯이, 높은 해상도의 스펙트럼은 그러한 '떨림'을 유발하는 자기장의 변화로부터 벗어났을 때 얻게 될 수 있다. 그래서 NMR 기기 작동시에는 이러한 자기장의 변화를 상쇄할 수 있게 조작해주는 작업이 필요한데, 이것이 Locking이다. 딱 원하는 자기장의 세기로 '잠그는' 것이라고 이해하면 쉽겠다.

 

 

출처: http://utswbionmr.swmed.edu/UserMan_Site/web-content/Index.html

 

 그렇다면 기기에서는 어떤 작동을 통해서 자기장을 일정하게 유지하는지를 살펴보아야 하겠다. 기본적으로 우리가 이 자기장을 실시간으로 관찰하면서 고정시키게 되는데, 이를 deuterium (D, 중수소) 신호를 통해서 확인한다. 이 글을 보시는 분들이라면 이미 NMR을 찍을 때는 전용 Deuterated Solvent를 사용하게 된다 는 것을 알고 있을 것이므로 여기서는 생략하겠다 (참고 : Deuterium으로 NMR을 찍는 이유?). 이 Deuterium 신호가 공명하는 주파수를 실시간으로 감지하게 되면 이 신호가 변화하는지, 그렇지 않은지 관찰할 수 있다. D가 공명하는 주파수를 찾고, 이 주파수에서 큰 흡수가 일어나는 것을 확인한 후, 이 상태의 자기장을 고정한다 (Lock). 이렇게 고정된 자기장은 이미 알고있는 자기장의 변화를 '보정' 해주면서 선명한 신호를 얻게 해준다 (기기내의 코일들이 미세하게 전류를 조정한다).

 

 

 

#2. Shimming

 

 Shimming 또한 NMR 스펙트럼 결과에 영향을 미치는 요소이다. Locking을 통해서 자기장의 변화가 보정되었다면, 전체 샘플의 부피에 대해서 균일하게 자기장을 제공하는 것 또한 필요하다. Shimming 또한 제대로 잡히지 않으면 스펙트럼의 결과 또한 locking이 제대로 되지 않았을 때와 마찬가지로 불분명한 스펙트럼을 얻게 될 것이다. 즉 Shimming은 자기장을 균일하게 조정하는 과정이라고 할 수 있다. 

 

 이는 샘플 주변에 있는 여러개의 코일에 흐르는 전류를 미세하게 조정함으로써 가능해진다. 이렇게 자기장이 균일한 정도를 확인하는 방법은 lock signal을 통해서 알 수 있다. lock signal은 장의 균일성에 비례하여 커진다. 그래서 lock signal이 가장 커지는 곳에서 기기를 작동하게 되면, 높은 해상도의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 물론 shimming을 하는 과정은 결코 녹록치 않다. Z에 관한 여러가지 코일을 (12개부터 32개까지 있다고 한다) 조절해야 하는데, 대체로 주된 코일들만 조정해서 (Z1, Z2, Z3) 큰 lock signal을 확인한 후에 스펙트럼을 얻는다.

 

출처: http://utswbionmr.swmed.edu/UserMan_Site/web-content/Index.html

 

 정리하자면, Locking은 기기전체의 자기장의 세기를 일정하게 유지해주는 역할을 하며, Shimming은 샘플 전체에 균일한 자기장을 제공하는 역할을 한다. 현미경의 조동나사와 미동나사 같은 느낌이라고 이해하면 쉽겠다. 요즘은 시대가 좋아져서 어지간한 샘플은 Autoshimming이 가능하게끔 설정이 되고 어지간하면 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 물론 그렇지 않은 경우도 있기 때문에 매뉴얼로 locking과 shimming 하는 법을 알아두는 것은 NMR을 사용하는 유저의 입장에서 중요한 자격조건이라고 할 수 있겠다. 물론 내가 직접 안찍고 숙련된 오퍼레이터가 있는 NMR실이라면 필요 없겠지만 말이다.

 

 

 #3. FID signal (Free Induction Decay)

 

*분광학책에도 나오는 내용이지만, 이것 또한 작동화면에서 주로 보이는 그래프의 하나이므로 간단하게 내용 첨부했다.

 

NMR 스펙트럼에서 우리가 보는 스펙트럼의 피크들은 FID signal이 Fourier transformation (푸리에 변형) 이라고 하는 수학적 변환을 통해서 변환된 결과물이다. 이것이 변형되기 전 FID signal은 우리가 얻고자 하는 샘플의 프로톤에 대한 relaxation time이 모두 겹쳐진 파형을 나타낸다. 

 

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Free_induction_decay

 

 그림의 파형은 단일 파형으로 나타나지만, 실제 샘플은 저것과 다르게 움직이는 파형들이 많이 겹쳐져서 보이게 된다. 이를 우리가 확인하기 힘들기 때문에 푸리에 변형을 거치는 것이고, FID를 통해서 우리가 확인하는 것은 샘플의 relaxation time에 맞게 샘플을 찍었는지를 확인하는 것이다. 만약 우리가 해당 relaxation time에 충분하지 못하게 스펙트럼을 찍게 되면, 해당 스펙트럼이 가지는 전체의 정보를 확인할 수 없다는 이야기가 된다. 그래서 샘플 전체의 integral 비교시에 부정확한 값을 나타내게 될 것이다 (일부는 이미 relaxation 되어서 정확한 피크로 나타나겠지만, 일부는 그렇지 못하기 때문). 그렇기 때문에 최소한 relaxation이 마무리 되는 시간 혹은 그 이상의 시간으로 맞춰서 샘플의 NMR을 측정해야 정확한 결과 값을 얻어야 한다고 할 수 있겠다.