NMR分光法とESR分光法の違い

🧠 NMRは核スピン spinスピン（spin） spin（スピン）、ESRは不対電子 unpaired electron 不対電子（unpaired electron） unpaired electron（不対電子） スピン spin スピン（spin） spin（スピン） のゼーマン Zeeman ゼーマン（Zeeman） Zeeman（ゼーマン） 準位間遷移を測る。 基本式は共通だが、電子の磁気モーメント magnetic moment 磁気モーメント（magnetic moment） magnetic moment（磁気モーメント） が核より大きいため、必要な電磁波 electromagnetic wave 電磁波（electromagnetic wave） electromagnetic wave（電磁波） の周波数帯と得られる情報が異なる。

共通する共鳴原理

核磁気共鳴nuclear magnetic resonance 核磁気共鳴（nuclear magnetic resonance）nuclear magnetic resonance（核磁気共鳴） と電子スピン共鳴 electron spin resonance 電子スピン共鳴（electron spin resonance） electron spin resonance（電子スピン共鳴） （ESR、EPRともいう）は、いずれも静磁場 static magnetic field 静磁場（static magnetic field） static magnetic field（静磁場） で分裂した磁気準位 magnetic sublevel 磁気準位（magnetic sublevel） magnetic sublevel（磁気準位） に電磁波 electromagnetic wave 電磁波（electromagnetic wave） electromagnetic wave（電磁波） を与え、

を満たすときの吸収を観測する。これはラーモア歳差運動Larmor precession ラーモア歳差運動（Larmor precession）Larmor precession（ラーモア歳差運動） と共鳴条件に共通する物理である。

観測対象と情報の違い

電子の$|\gamma|$と磁気モーメント magnetic moment 磁気モーメント（magnetic moment） magnetic moment（磁気モーメント） は多くの核より大きく、同じ$B_0$ならESRの共鳴周波数 resonance frequency 共鳴周波数（resonance frequency） resonance frequency（共鳴周波数） はNMRより高い。したがって「NMRは必ずこの周波数、ESRは必ずこの周波数」と暗記するより、観測粒子の$\gamma$が周波数帯を決めると考える。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='static magnetic field'>静磁場</span>で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Zeeman'>ゼーマン</span>準位を形成"] --> B{"観測する<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spin'>スピン</span>"}
  B -->|"原子核"| C["RF で NMR"]
  B -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='unpaired electron'>不対電子</span>"| D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='microwave'>マイクロ波</span>で ESR"]
  C --> E["核の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chemical environment'>化学環境</span>・緩和を解析"]
  D --> F["ラジカル・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paramagnetic center'>常磁性中心</span>を解析"]

試料選択と医学的接続

NMRは不対電子 unpaired electron 不対電子（unpaired electron） unpaired electron（不対電子） を必要とせず、水素核が豊富な生体組織をそのまま信号源にできる。ESRは不対電子 unpaired electron 不対電子（unpaired electron） unpaired electron（不対電子） をもつ試料に限られるが、酸化ストレスoxidative stress 酸化ストレス（oxidative stress）oxidative stress（酸化ストレス） に関わる短寿命ラジカルやスピン標識 spin label スピン標識（spin label） spin label（スピン標識） を選択的に調べられる。

MRIの画像信号はNMRを空間符号化 spatial encoding 空間符号化（spatial encoding） spatial encoding（空間符号化） したものであり、画像コントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） には次に扱う縦緩和longitudinal relaxation縦緩和（longitudinal relaxation）longitudinal relaxation（縦緩和）と横緩和transverse relaxation横緩和（transverse relaxation）transverse relaxation（横緩和）が関与する。

まとめ

NMRとESRは観測するスピン spin スピン（spin） spin（スピン） は異なるが、磁場中の準位差 energy level difference 準位差（energy level difference） energy level difference（準位差） と共鳴遷移を用いる。¹²

• NMRとESRはともに、ゼーマンZeeman ゼーマン（Zeeman）Zeeman（ゼーマン） 準位差 energy level difference 準位差（energy level difference） energy level difference（準位差） と電磁波 electromagnetic wave 電磁波（electromagnetic wave） electromagnetic wave（電磁波） が一致する磁気共鳴を利用する。
• NMRは核スピン spinスピン（spin） spin（スピン）、ESRは不対電子 unpaired electron 不対電子（unpaired electron） unpaired electron（不対電子） スピン spin スピン（spin） spin（スピン） を観測する。
• 磁気回転比gyromagnetic ratio 磁気回転比（gyromagnetic ratio）gyromagnetic ratio（磁気回転比） の違いが、一般にNMRの高周波 high frequency 高周波（high frequency） high frequency（高周波） 帯とESRのマイクロ波 microwave マイクロ波（microwave） microwave（マイクロ波） 帯を分ける。
• NMRは分子構造・MRI、ESRはラジカル・常磁性中心paramagnetic center 常磁性中心（paramagnetic center）paramagnetic center（常磁性中心） の解析に強みをもつ。