Biophysics · 26.05

NMR分光法とESR分光法の違い

Differences between NMR and ESR spectroscopy

🧠 NMRは核スピンspinスピン（spin）spin（スピン）、ESRは不対電子スピン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

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

\omega_0=|\gamma|B_0

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

観点	NMR	ESR / EPR
観測対象	$^1$ H、 $^{13}$ Cなどスピンspinスピン（spin）spin（スピン）をもつ原子核	ラジカルや遷移金属中の不対電子
一般的な励起	高周波high frequency高周波（high frequency）high frequency（高周波）	マイクロ波microwaveマイクロ波（microwave）microwave（マイクロ波）
主な環境情報	化学シフトchemical shift化学シフト（chemical shift）chemical shift（化学シフト）、核間結合、緩和	$g$ 因子、超微細相互作用、電子周囲の局所環境local environment局所環境（local environment）local environment（局所環境）
生物医学的用途	分子構造解析、MR分光法spectroscopy分光法（spectroscopy）spectroscopy（分光法）、MRI	フリーラジカルfree radicalsフリーラジカル（free radicals）free radicals（フリーラジカル）、常磁性中心、スピンspinスピン（spin）spin（スピン）標識の解析

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["静磁場で<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 -->|"不対電子"| D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='microwave'>マイクロ波</span>で ESR"]
  C --> E["核の化学環境・緩和を解析"]
  D --> F["ラジカル・常磁性中心を解析"]

試料選択と医学的接続

NMRは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spinスピン（spin）spin（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encoding符号化（encoding）encoding（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）と横緩和が関与する。

まとめ

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は不対電子スピンspinスピン（spin）spin（スピン）を観測する。
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・常磁性中心の解析に強みをもつ。