핵자기 공명 분광법(NMR)

원자핵은 양성자와 중성자로 구성되며, 이 입자들은 고유한 각운동량인 핵 스핀을 가진다. 스핀 양자수(I)는 0, 1/2, 1, 3/2 등과 같은 값을 가지며, 이는 핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수에 의해 결정된다. NMR 실험에서 가장 중요한 핵종들은 스핀 1/2을 가지는 것들이다. 예를 들어, 수소-1 핵(양성자), 탄소-13, 인-31, 플루오린-19 핵 등이 이에 해당한다.

스핀을 가진 핵은 마치 작은 막대자석처럼 행동하는 자기 모멘트를 지닌다. 이 자기 모멘트(μ)의 크기는 핵의 자기 회전비(γ)와 스핀 양자수(I)에 비례한다. 공식으로는 μ = γħI로 표현된다. 여기서 ħ는 플랑크 상수를 2π로 나눈 값이다. 자기 회전비는 각 핵종의 고유한 물리적 상수이며, 그 값은 핵종마다 크게 다르다. 이는 NMR 신호의 감도와 관측 가능한 주파수 범위에 직접적인 영향을 미친다.

외부 정자기장(B₀)이 없을 때, 핵의 자기 모멘트 방향은 무작위로 배열된다. 그러나 강한 정자기장 내부에서는 핵의 자기 모멘트가 정렬하게 되며, 양자역학적으로는 스핀 상태가 공간 양자화된다. 스핀 양자수 I을 가진 핵은 (2I + 1)개의 가능한 에너지 상태를 가진다. 가장 일반적인 스핀 1/2 핵의 경우, 자기장 방향과 평행한 낮은 에너지 상태(α 상태)와 반평행한 높은 에너지 상태(β 상태)라는 두 개의 구별된 에너지 준위를 갖게 된다. 이 두 상태 사이의 에너지 차이가 NMR 신호 발생의 기초가 된다.

특정 핵이 외부 자기장 안에서 가질 수 있는 에너지 준위는 양자화되어 있다. 핵 스핀 양자수 I를 가진 핵은 (2I + 1)개의 에너지 준위를 가지며, 이 준위 사이의 에너지 차이는 외부 자기장의 세기에 정비례한다.

이 에너지 준위 사이의 전이를 일으키기 위해 필요한 전자기파의 주파수를 라머 주파수라고 한다. 라머 주파수는 핵의 자이로자기비와 외부 자기장의 세기를 곱한 값으로 주어진다. 공식으로는 ω = γB₀ 으로 표현되며, 여기서 ω는 각주파수, γ는 자이로자기비, B₀는 외부 정자기장의 세기이다.

NMR 공명 현상은 샘플에 가해지는 외부 자기장 B₀의 방향에 수직으로, 라머 주파수와 일치하는 진동수(보통 라디오파 대역)의 교류 자기장(B₁)을 가할 때 발생한다. 이 조건에서 핵은 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 천이하며 에너지를 흡수한다. 이 흡수 신호를 검출하여 NMR 스펙트럼을 얻는다.

공명 조건은 핵의 종류와 자기장 세기에 따라 달라지므로, 실험은 특정 핵(예: 수소-1, 탄소-13)에 대해 고정된 자기장에서 주파수를 스캔하거나, 고정된 주파수에서 자기장 세기를 미세하게 스캔하는 방식으로 수행된다. 아래 표는 14.1 테슬라(T)의 자기장에서 몇 가지 주요 핵의 공명 주파수(라머 주파수)를 보여준다.

화학적 이동은 NMR 스펙트럼에서 피크의 위치를 나타내는 무차원 상수이다. 이 값은 특정 핵의 공명 주파수가 표준 참조 물질의 공명 주파수로부터 얼마나 떨어져 있는지를 상대적으로 나타낸다. 화학적 이동이 발생하는 근본적인 원인은 분자 내 전자 구름의 차이 때문이다. 외부 자기장이 인가되면, 핵 주변의 전자들은 랑데 반자성 효과를 일으켜 핵을 부분적으로 차폐한다. 전자 밀도가 높은 핵은 더 강하게 차폐되어 실제로 느끼는 유효 자기장이 약해지므로, 더 낮은 주파수에서 공명한다. 반대로 전자 밀도가 낮은 핵(예: 전기를 끌어당기는 작용기 근처)은 차폐 효과가 약해 더 높은 주파수에서 공명한다.

화학적 이동(δ)은 일반적으로 다음 공식으로 계산되며, 단위는 ppm(parts per million)을 사용한다.

δ (ppm) = (ν_sample - ν_reference) / ν_spectrometer * 10^6

여기서 ν_sample은 시료의 공명 주파수, ν_reference는 참조 물질의 공명 주파수, ν_spectrometer는 분광계의 작동 주파수(예: 400 MHz)이다. 이렇게 상대적인 척도를 사용함으로써, 서로 다른 자기장 강도의 기기에서 측정한 스펙트럼도 직접 비교가 가능해진다.

표준 참조 물질은 측정하는 핵의 종류에 따라 다르다. 가장 흔한 ^1H-NMR과 ^13C-NMR에서는 테트라메틸실란(TMS)이 참조물로 널리 사용된다. TMS의 규소 원자에 결합된 12개의 수소는 동등한 환경을 가지며 매우 강하게 차폐되어 다른 대부분의 유기 화합물 피크보다 높은 장(낮은 ppm)에서 공명한다. 따라서 관례적으로 TMS의 화학적 이동 값을 0.00 ppm으로 설정하고, 다른 피크들은 일반적으로 더 낮은 장(더 높은 ppm 값)에 나타난다.

화학적 이동 값은 핵의 화학적 환경에 대한 중요한 정보를 제공한다. 특정 작용기 근처의 핵은 특징적인 ppm 범위에서 공명하는 경향이 있다. 예를 들어, ^1H-NMR에서 알케인 수소는 0.8–1.5 ppm, 알코올의 하이드록실 수소는 1–5 ppm, 방향족 수소는 6–8 ppm 부근에서 나타난다. 이와 같은 경향을 이해하는 것은 미지 화합물의 구조를 추론하는 데 필수적이다.

자석 시스템은 핵자기 공명 분광법 장비의 가장 핵심적인 구성 요소이다. 이 시스템은 시료 내 핵 스핀을 정렬시켜 측정 가능한 신호를 생성하는 강력하고 균일한 정자기장을 생성하는 역할을 한다. 자석의 성능, 특히 장세기와 균일도는 전체 장비의 분해능과 민감도를 직접적으로 결정한다.

주로 사용되는 자석의 종류는 영구자석, 전자석, 그리고 초전도 자석으로 구분된다. 각각의 특성은 다음과 같다.

현대의 고성능 NMR 분광기는 거의 예외 없이 초전도 자석을 사용한다. 초전도 자석은 액체 헬륨과 액체 질소로 냉각된 니오븀-티타늄 합금 코일로 구성되어 있으며, 일단 전원이 공급되면 영구적으로 전류가 흐르는 폐쇄 회로를 형성한다. 이를 통해 장시간에 걸쳐 매우 안정적인 고장세기 자기장을 유지할 수 있다.

자석 시스템에는 샤임 코일이 장착되어 있다. 이 코일은 주 자석이 생성하는 정자기장의 균일도를 미세하게 조정하는 역할을 한다. 시료가 위치하는 공간(보어) 내에서 자기장의 균일도는 ppm(백만분의 일) 수준으로 유지되어야 하며, 이를 통해 선폭이 좁고 분해능이 높은 스펙트럼을 얻을 수 있다. 또한, 외부 자기장의 간섭을 차단하기 위해 자기 차폐 장치가 함께 설치되는 경우가 많다.

프로브는 NMR 시료를 담는 용기와 이를 둘러싼 코일, 그리고 시료의 온도를 제어하는 장치를 포함하는 핵심 부품이다. 프로브는 강력한 자석의 균일한 자기장 내부에 위치하며, 시료에 라디오파를 조사하고 그 응답 신호를 감지하는 역할을 한다.

프로브의 성능은 주로 내부에 장착된 코일의 설계에 의해 결정된다. 가장 일반적인 것은 송신과 수신을 하나의 코일이 모두 담당하는 단일 코일 방식이다. 고감도가 요구되는 실험에는 송신 전용 코일과 수신 전용 코일이 분리된 이중 코일 또는 삼중 코일 방식이 사용된다. 또한, 특정 핵종(예: 수소-1, 탄소-13)에 최적화된 튜닝이 가능하도록 설계된다.

프로브 내부에는 시료를 회전시키는 에어 터빈 장치가 포함되어 있다. 고체 NMR이 아닌 일반적인 액체 NMR에서는 시료를 빠르게 회전시켜(일반적으로 초당 20회 이상) 자기장의 미세한 불균일성을 평균화하여 스펙트럼의 분해능을 향상시킨다. 온도 제어 시스템은 시료의 온도를 정밀하게 조절(-150°C ~ +150°C 범위)하여 온도 의존적인 화학 반응이나 분자 구조 변화를 연구할 수 있게 한다.

프로브의 종류는 응용 분야에 따라 다양하게 개발되었다. 주요 유형은 다음과 같다.

송수신기는 라디오 주파수 펄스를 생성하여 샘플에 조사하고, 샘플로부터 유도된 미약한 NMR 신호를 검출 및 증폭하는 역할을 한다. 이 시스템은 정밀한 타이밍으로 RF 펄스를 생성하는 송신부와, 공명 후 샘플에서 방출되는 신호를 수신하는 수신부로 구성된다. 수신된 신호는 매우 약하기 때문에 고성능 증폭기를 거쳐 처리된다.

컴퓨터 시스템은 NMR 실험의 두뇌 역할을 한다. 사용자가 실험 파라미터(펄스 길이, 지연 시간, 데이터 포인트 수 등)를 설정하고 실험 순서를 제어하며, 수신된 시간 영역 신호(유도 감쇠 신호)를 수집하여 저장한다. 이후 푸리에 변환이라는 수학적 처리를 통해 시간 영역 데이터를 주파수 영역의 스펙트럼으로 변환한다.

현대 NMR 장비의 컴퓨터는 또한 스펙트럼 처리(위상 조정, 베이스라인 보정, 적분 등)와 데이터 분석을 위한 소프트웨어를 실행한다. 이를 통해 연구자는 복잡한 스펙트럼을 해석하고 분자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 고급 2차원 NMR 실험과 같은 복잡한 실험 순서는 완전히 컴퓨터에 의해 프로그래밍되고 제어된다.

1차원 NMR은 가장 기본적이고 널리 사용되는 핵자기 공명 분광법 기법이다. 시간 영역에서 하나의 자유 유도 감쇠 신호를 측정한 후, 푸리에 변환을 통해 하나의 주파수 축을 가진 스펙트럼으로 변환한다. 이 스펙트럼은 주로 수소 핵(¹H)이나 탄소-13 핵(¹³C)과 같은 특정 동위원소의 신호를 보여준다.

가장 일반적인 1차원 NMR 실험은 단일 펄스 실험이다. 이는 샘플에 짧은 무선파 펄스를 가한 후, 시간에 따라 감쇠하는 신호(자유 유도 감쇠, FID)를 수집하는 방식으로 이루어진다. 다른 중요한 1차원 실험으로는 첨가된 첨가제의 영향을 제거하기 위한 얽힘 현상 제거 실험이나, 특정 핵의 신호만을 선택적으로 관측하는 선택적 여기 실험이 있다.

주요 1차원 NMR 스펙트럼의 종류와 특징은 다음과 같다.

1차원 NMR은 샘플 준비가 비교적 간단하고 측정 시간이 짧아, 화합물의 정성 분석, 순도 확인, 정량 분석 등 일상적인 화학 분석의 핵심 도구로 사용된다. 특히 ¹H NMR 스펙트럼의 화학적 이동, 스핀-스핀 커플링 패턴, 적분값은 미지 화합물의 구조를 추론하는 데 필수적인 정보를 제공한다.

2차원 NMR은 두 개의 서로 다른 주파수 축을 사용하여 핵 스핀 사이의 상호작용 정보를 2차원 스펙트럼으로 나타내는 기법이다. 1차원 NMR이 단일 주파수 축(화학적 이동)만을 제공하는 반면, 2차원 NMR은 두 핵 사이의 결합이나 공간적 근접성과 같은 상관관계를 직접적으로 보여준다. 이 기법은 복잡한 분자의 구조를 해석하거나 생체 고분자와 같은 큰 분자의 구조를 연구하는 데 필수적이다.

표준적인 2차원 NMR 실험은 준비, 진화, 혼합, 검출의 네 단계로 구성된다. 시간 영역에서 두 개의 독립적인 시간 변수(t1, t2)에 대한 신호를 측정한 후, 2차원 푸리에 변환을 통해 주파수 영역 스펙트럼(F1, F2)으로 변환한다. 그 결과 생성된 스펙트럼의 대각선 피크는 일반 1차원 스펙트럼에 해당하며, 비대각선 피크(교차 피크)가 핵들 사이의 연결 정보를 제공한다.

주요 2차원 NMR 실험법은 다음과 같이 분류된다.

이러한 기법들은 특히 단백질 NMR에서 구조 결정의 핵심 도구로 사용된다. 다양한 2차원 실험을 조합하여 모든 핵의 신호를 정확히 할당하고, NOESY로부터 얻은 거리 제약 조건을 통해 분자의 3차원 구조를 계산해낸다. 또한, 동적 과정의 연구나 약물-수용체 상호작용 분석에도 활용된다.

고체 핵자기 공명 분광법은 결정성 또는 비결정성 고체 시료의 분자 구조와 동역학을 연구하는 데 사용되는 NMR 기법이다. 용액 NMR과 달리 시료가 고정된 상태이기 때문에 화학적 이동 이방성, 직접 딥올 커플링, 4극자 상호작용과 같은 추가적인 상호작용이 스펙트럼에 나타난다. 이러한 상호작용은 정보를 풍부하게 제공하지만, 동시에 스펙트럼의 선폭을 크게 넓혀 해석을 어렵게 만드는 요인이 된다. 따라서 고체 NMR에서는 이러한 상호작용의 영향을 제어하거나 극복하기 위한 특별한 기술이 필수적으로 적용된다.

가장 중요한 기술은 마법각 회전이다. 이 방법은 시료를 자기장 방향에 대해 54.74도(마법각)로 기울여 빠르게 회전시킴으로써 화학적 이동 이방성과 같은 방향성 상호작용을 평균화하여 선폭을 현저히 줄인다. 또한, 양성자 탈결합 기술은 시료에 강한 RF 펄스를 가해 핵 사이의 양성자-탄소-13 같은 이종핵 간의 딥올 상호작용을 억제하여 해상도를 더욱 향상시킨다. 교차 편광은 감도가 낮은 핵(예: 탄소-13, 규소-29)의 신호를 감도가 높은 핵(예: 양성자)으로부터 전이시켜 신호 강도를 크게 높이는 데 기여한다.

고체 NMR은 다양한 재료 과학 분야에서 널리 응용된다. 제올라이트, 중합체, 세라믹 소재의 구조 분석, 리튬 이온 배터리의 전해질 및 전극 재료 연구, 의약품의 다형성 분석, 생체 분자의 구조 및 상호작용 연구 등에 활용된다. 특히 용액 상태로 만들 수 없거나 용액 상태에서의 구조가 고체 상태와 다른 물질을 연구하는 데 필수적인 도구이다.

화학적 이동은 NMR 스펙트럼에서 피크의 위치를 나타내는 무차원 상대값이다. 이 값은 특정 핵 스핀이 경험하는 유효 자기장의 세기가 표준 물질(예: 테트라메틸실란(TMS))의 핵이 경험하는 자기장과 얼마나 다른지를 나타낸다. 화학적 이동(δ)은 일반적으로 ppm(백만분율) 단위로 표시되며, 다음 공식으로 계산된다: δ = (ν_sample - ν_reference) / ν_spectrometer * 10^6. 여기서 ν_sample은 시료의 공명 주파수, ν_reference는 기준 물질의 공명 주파수, ν_spectrometer는 분광기의 작동 주파수이다.

화학적 이동 값은 핵 주위의 전자 밀도에 의해 결정된다. 전자는 외부 자기장에 반대 방향으로 유도 자기장을 생성하는데, 이를 상자성 차폐 효과라고 한다. 전자 밀도가 높을수록 핵은 더 큰 차폐를 받아 유효 자기장이 약해지고, 공명에는 더 낮은 주파수(더 높은 자기장)가 필요해진다. 이는 스펙트럼 상에서 더 높은 장 방향(더 작은 δ 값)으로 피크가 이동하는 것으로 나타난다. 반대로, 전자를 끌어당기는 전기음성도가 큰 원자에 결합되어 있거나, 불포화 결합 근처에 위치하여 전자 밀도가 낮아지면 차폐 효과가 약해져 낮은 장 방향(더 큰 δ 값)으로 피크가 이동한다.

특정 작용기나 분자 환경은 특징적인 화학적 이동 범위를 보인다. 예를 들어, 일반적인 1H-NMR에서의 화학적 이동 범위는 다음과 같다.

이러한 경향성은 구조 결정에 핵심적인 정보를 제공한다. 예를 들어, 전자를 주는 알킬기는 차폐를 증가시키고, 카보닐기나 할로젠 원자와 결합하면 차폐가 감소한다. 또한, 수소 결합, 용매 효과, 분자의 입체 구조 변화도 화학적 이동에 미묘한 영향을 미친다. 따라서 화학적 이동 값을 분석하면 분자 내 특정 핵의 화학적 환경, 즉 결합 상태와 주변 원자들의 종류 및 배열에 대한 직접적인 정보를 얻을 수 있다.

스핀-스핀 커플링은 서로 근접한 핵들 사이의 자기적 상호작용으로 인해 NMR 신호가 여러 개의 피크로 갈라지는 현상이다. 이는 화학적 이동과 함께 NMR 스펙트럼을 해석하는 가장 중요한 정보를 제공한다. 커플링은 공유 결합을 통해 전달되며, 일반적으로 세 개의 결합(^3J) 이내에서 일어난다. 이로 인해 하나의 핵에 대한 신호는 인접한 핵의 스핀 상태에 따라 미세하게 다른 공명 주파수를 보이게 되어 피크가 분리된다.

분리된 피크들의 간격을 커플링 상수(J)라고 하며, 그 단위는 헤르츠(Hz)이다. 커플링 상수는 결합 경로의 기하학적 구조, 결합 각도, 그리고 관련된 핵의 종류에 따라 결정되는 물리적 상수이다. 예를 들어, 비카리얼 커플링 상수는 이면각의 함수로, 알켄에서 트랜스 결합이 시스 결합보다 큰 J 값을 보이는 등의 정보를 제공한다. 커플링 상수의 크기는 두 핵 사이의 거리나 중간 매개체에 의존하지만, 외부 자기장의 세기에는 영향을 받지 않는다.

스핀-스핀 커플링 패턴은 인접 핵의 수(n)와 스핀 양자수(I)에 따라 예측할 수 있다. 가장 흔한 스핀 1/2의 핵(예: ^1H, ^13C, ^19F, ^31P)의 경우, 피크의 분리 패턴과 상대적 강도는 (n+1) 규칙으로 간략하게 설명된다. 즉, 동등한 n개의 인접 핵과 커플링하면 목표 핵의 신호는 (n+1)개의 피크로 갈라지며, 그 강도 비는 파스칼의 삼각형에 따른다. 그러나 인접 핵들이 서로 동등하지 않을 경우, 더 복잡한 다중선(multiplet)이 관찰된다.

이러한 커플링 패턴의 분석은 분자 내에서 핵들의 상대적 위치와 연결 관계를 밝히는 데 결정적인 역할을 한다. 예를 들어, 에틸기(-CH2CH3)의 메틸렌(–CH2–) 수소는 인접 메틸기(–CH3)의 세 개 수소와 커플링하여 쿼텟을, 메틸기의 수소는 메틸렌의 두 개 수소와 커플링하여 트리플렛을 보인다. 이를 통해 서로 인접한 작용기들을 명확하게 식별할 수 있다.

NMR 스펙트럼에서 피크 아래의 면적, 즉 적분값은 해당 신호를 발생시키는 수소 원자(또는 다른 관찰 대상 핵)의 상대적 개수에 비례한다. 이는 NMR이 정량 분석에 유용하게 활용될 수 있는 중요한 근거가 된다. 스펙트럼 분석 소프트웨어는 각 피크 또는 피크 군의 적분 곡선을 제공하며, 분석자는 이를 통해 분자 내 각기 다른 화학 환경에 있는 핵의 수적 비율을 결정한다. 예를 들어, 에틸 아세테이트의 1H NMR 스펙트럼에서 -OCH2CH3 부분의 CH3 피크와 CH2 피크의 적분값 비율은 3:2가 된다.

피크의 개형, 즉 모양은 분자의 동역학적 상태와 주변 핵과의 상호작용에 대한 정보를 제공한다. 피크의 너비는 일반적으로 스핀-스핀 이완 시간(T2)과 관련이 있으며, 피크가 넓을수록 이완이 빠르게 일어남을 의미한다. 큰 분자나 고체 시료, 또는 파라마그네틱 물질이 존재할 경우 피크가 넓어지는 현상이 흔히 관찰된다. 또한, 피크는 스핀-스핀 커플링에 의해 다중선으로 분리될 수 있으며, 이 분리 패턴은 인접 핵의 개수와 커플링 상수(J)를 반영한다.

피크 개형을 정량적으로 분석하기 위한 주요 매개변수는 다음과 같다.

이러한 피크 개형의 변화는 분자의 화학적 교환 속도가 NMR 시간 척도와 비슷할 때 특히 두드러지게 나타난다. 빠른 교환은 날카로운 단일선을, 느린 교환은 분리된 두 개의 피크를, 중간 속도의 교환은 넓고 평탄화된 피크를 초래한다[6]. 따라서 적분값과 피크 개형을 함께 분석하면 분자의 정량적 구성뿐만 아니라 구조적 유연성, 상호작용, 동역학적 행동에 대한 포괄적인 정보를 얻을 수 있다.

핵자기 공명 분광법은 유기 화합물의 구조를 결정하는 데 가장 강력한 도구 중 하나이다. 이 기법은 분자 내 수소(1H NMR)와 탄소(13C NMR) 원자핵의 자기적 환경을 비파괴적으로 탐지하여, 분자의 골격, 작용기, 그리고 상대적 입체구조에 대한 정보를 제공한다. 특히 미지 화합물의 정확한 구조를 밝히거나 합성된 화합물의 구조를 확인하는 과정에서 필수적으로 사용된다.

구조 결정 과정은 일반적으로 1H NMR 스펙트럼의 분석으로 시작한다. 화학적 이동 값은 해당 수소 원자가 어떤 작용기(예: 알킬, 알켄, 방향족, 카르보닐 인근)에 결합되어 있는지를 나타낸다. 스핀-스핀 커플링 패턴(예: 싱글렛, 더블렛, 트리플렛)은 인접한 수소 원자의 개수를 알려주어 분자 내 조각들의 연결 관계를 추론하는 단서가 된다. 피크 아래의 적분값은 각 신호에 해당하는 수소 원자의 상대적 개수를 직접적으로 제공한다.

13C NMR 스펙트럼은 분자 골격에 대한 보완적 정보를 제공한다. 스펙트럼 상의 피크 개수는 화학적으로 비등가인 탄소 원자의 종류를 대략적으로 알려주며, 각 탄소의 화학적 이동 값은 그 탄소의 산화 상태와 결합 환경(1차, 2차, 3차 탄소, 또는 sp3, sp2, sp 혼성 궤도)을 반영한다. 복잡한 구조의 경우, 2차원 NMR 기법인 COSY, HSQC, HMBC 등을 활용하여 수소-수소 또는 수소-탄소 사이의 결합 연결 관계를 직접적으로 규명함으로써 분자 조각들을 정확하게 연결할 수 있다.

이러한 정보들을 종합적으로 분석함으로써 연구자는 미지 화합물의 분자식을 바탕으로 가능한 구조 이성질체들을 추론하고, NMR 데이터와의 일치 여부를 검토하여 최종적인 구조를 결정할 수 있다. 이 과정은 현대 유기화학, 천연물화학, 의약화학 연구의 핵심을 이룬다.

단백질 구조 연구에서 핵자기 공명 분광법은 용액 상태의 단백질 3차원 구조를 원자 수준에서 규명하는 핵심 도구이다. X선 결정학이 결정화된 고체 상태의 구조를 제공하는 것과 달리, NMR은 생리학적 조건에 가까운 수용액 상태에서 단백질의 구조와 역동성을 연구할 수 있다는 장점을 지닌다. 이를 통해 단백질의 기능적 움직임과 다른 분자와의 상호작용을 실시간으로 관찰할 수 있다.

연구는 주로 수소(¹H), 질소(¹⁵N), 탄소(¹³C) 같은 핵종에 대한 다차원 NMR 실험을 기반으로 한다. 특히 ¹⁵N-¹H HSQC[7] 스펙트럼은 단백질 내 각 아미노산 잔기의 백본 및 측쇄 아미드 질소-수소 쌍에 대한 개별적인 피크를 제공하여 단백질의 지문과 같은 역할을 한다. 각 피크의 화학적 이동은 해당 핵의 국부적 화학 환경에 민감하게 반응하므로 구조 정보의 출발점이 된다.

구체적인 3차원 구조를 결정하기 위해서는 핵들 사이의 공간적 거리와 각도 정보가 필요하다. NOESY[8] 실험을 통해 5Å 이내의 핵 간 거리 제약 조건을 얻고, J-커플링 상수를 통해 다이헤드럴 각도 정보를 확보한다. 이렇게 수집된 수백에서 수천 개의 구조 제약 조건은 컴퓨터 계산을 통해 3차원 좌표로 변환된다.

최종적으로 얻어지는 NMR 구조는 일반적으로 여러 가능한 구조 앙상블로 표현된다. 이는 단백질 분자가 용액 내에서 일정한 유연성과 운동성을 가지고 있음을 반영한다. NMR은 단백질의 안정적인 영역뿐만 아니라 무질서한 영역, 그리고 구조 변화와 같은 역동적 특성을 포괄적으로 연구하는 데 필수적인 방법이다.

자기 공명 영상(MRI)은 핵자기 공명 분광법의 원리를 인체 조직 영상화에 적용한 기술이다. MRI는 주로 체내 풍부한 수소 원자핵(양성자)의 NMR 신호를 이용하여 해부학적 구조를 비침습적으로 시각화한다. 인체 조직 내 물과 지방에 포함된 수소 핵의 T1 및 T2 이완 시간 차이를 영상 대조도(contrast)의 근간으로 삼는다. 이 기술은 X선이나 방사성 동위원소를 사용하지 않아 방사선 노출 위험이 없으며, 연조직에 대한 높은 분해능을 제공한다는 장점을 가진다.

MRI 시스템은 환자를 강력한 정자기장 내부로 이동시키고, 특정 주파수의 라디오파 펄스를 가해 수소 핵을 공명시킨다. 펄스 종료 후, 핵이 평형 상태로 돌아오며 방출하는 신호를 공간 정보를 부호화하는 경사 자석장과 함께 수집하여 영상을 재구성한다. 다양한 펄스 시퀀스[10]를 조합함으로써 T1 강조 영상, T2 강조 영상, 확산 강조 영상 등 다양한 형태의 진단 정보를 얻을 수 있다.

의료 영상 분야에서 MRI는 뇌, 척수, 관절, 복부 장기 등 다양한 부위의 질환 진단에 핵심적으로 활용된다. 기능적 MRI(fMRI)는 뇌의 혈류 변화를 측정하여 뇌 기능 영역을 활성화시키는 기술이며, 자기 공명 혈관 조영술(MRA)은 조영제 없이도 혈관 구조를 평가할 수 있다. 최근에는 분광법(MRS)을 결합하여 생체 내 특정 부위의 대사 산물 농도를 측정하는 등 그 응용 범위가 계속 확장되고 있다.