NMR (Nükleer Manyetik Rezonans) Nedir?

Merhaba değerli okurlar ve kıymetlim öğrenciler. Sizlere bu makalemde NMR’ı (Nükleer Manyetik Rezonans) Anlatmaya çalışacağım. İlk NMR Sinyali, 1945 Yılında birbirlerinden tamamen bağımsız olarak iki ayrı fizikçi grubu tarafından gözlemlendi. Birinci Grup Felix Bloch’un Grubuydu İkincisi İse Edward Mills Purcell’in Grubuydu. NMR’ın keşfi bu iki fizikçiye 1952 yılında Nobel Fizik Ödülünü kazandırmıştır. 1960’lı yıllarda Avrupa’ya giren ve oldukça ciddi bir gelişmeye uğrayan NMR Başta Tıp, Kimya, Jeofizik, Biyokimya ve Fizik alanında olmak üzere tüm dünyada kabul gördü. Tıp Sektöründe adı MR (Emar) olarak adlandırılan Nükleer manyetik rezonans olayını sizlere kısaçsa şu şekilde açıklayabiliriz.

Atom çekirdeğinde bulunan protonların kendi manyetik alanları haricinde belirli bir manyetik alana tabi tutulması sonucu protonların manyetik alana verdiği tepkinin radyo frekansları ile ölçülmesidir.

Değerli okurlar, Konumuz ve uzmanlık alanımız Su Arama olduğu için biz sadece Jeofizik NMR Yani H-NMR üzerinde duracağız. Su bilindiği üzere 2 Hidrojen 1 Oksijen Atomu ile oluşmaktadır. Tabi oluşmaktadır demek çok iddialı gibi görünüyor ve aslında haklısınız çok iddialı bir kelime ama kökene kadar indiğimizde bu söylem doğruya yakın bir hal almaktadır. Tek-Tek Çekirdekliler sınıfından olup kütle ve atom numarası tek olan elementlerdir. Bu gruba dahil elementlerin çekirdeklerinde Proton sayısı tek, Nötron sayısı çifttir. Ancak Hidrojen Atomunda tek bir proton içerir ve nötronu yoktur. NMR ile hedef atom olarak Hidrojen atomunu kullanmaktayız. Hidrojenin jiromanyetik sabiti 2.674 (10⁸ s^-1 T^-1) ‘dir. Jiromanyetik, Bir parçacığın veya sistemin manyetik momenti ile açısal momentumu (Spin) arasındaki bağlamı açıklayan temel bir fizik terimidir. Genel olarak Tek-Tek Çekirdekliler sınıfına dahil olan elementlerin spin kuvantum sayıları I=1/2 ve Tek katlarıdır. Zaten bir elementin NMR’de aktifleşmesi için o elementin spin kuvantum sayısının 0’dan Büyük olması gerekmektedir. Yani başka bir değişle I > 0 olması şarttır. Gördüğümüz gibi protonun bir manyetik momenti vardır ve bu moment bir vektördür. Atom çekirdekleri manyetik alanlarda farklı enerji seviyelerinde bulunurlar, bu olayı protonlar ile açılarsak eğer; Manyetik alan olmadığı zaman, manyetik moment gelişigüzel her istikamete yönlenir. Yani protonlar yozlaşmıştır. Proton veya herhangi bir çekirdek (I>0) ancak manyetik alan içerisine geldiğinde farklı enerji seviyelerine yarılır. Proton, homojen ve statik bir manyetik alan içerisine getirildiğinde manyetik moment gelişigüzel yönlenemez. Manyetik momentin manyetik alanda yönlenmesi kuvantalıdır. Manyetik bir dipol (Atom Çekirdekleri) homojen bir manyetik alana çekilirse, Manyetik alan ile çekirdeğin manyetik momenti arasında bir etkileşim olur. Bu etkileşimde dış manyetik alan, çekirdeğin manyetik momentini kendisi ile aynı yönde hareket etmesi için zorlar. Çekirdeğin manyetik momenti de bu zorlamaya karşı koymak ister ve dış manyetik alanın yönlendirdiği eksen etrafında Presesyon hareketi yapar.

Bunu Şu şekilde anlamanız için basitleştirebilirim. Örneğin; çocukluğumda çok oynadığım topaç aklıma geldi yöresel dilde fırıldak denirdi. Bir topaç kendi ekseni etrafında dönerken (Bu Topaç; Çekirdek Olsun / Proton) (Bu dönüş ise; Çekirdek Spini) Topaca dışarıdan parmağımızla yan tarafına sertçe vurduğumuzda (Bu vuruş; Dış manyetik alandır) bu darbemizin kuvveti ile yerçekimi kuvveti topacı devirmek ister. Topaç ise bu harekete karşı koymak için Presesyon hareketi yapmaya başlar yani hem kendi ekseni etrafında döner hem de belirli bir yönde başka bir dönme hareketi yapar. Çocukken topaç oynamış kişilerin gözünde hemen canlanmıştır zaten. Çekirdeklerin manyetik momentleri, dış manyetik alan etrafında belli bir frekans ile (hız) presesyon hareketi yaparlar. Bu frekansa Larmor Frekansı denir. Larmor frekansı, rezonans koşulunda olduğu gibi, manyetik alanın şiddetine ve ilgili çekirdeğin jiromanyetik sabitine bağlıdır.

Öncelikle şunu söylemek en doğru cümle olacaktır; Tüm NMR deneyleri, bir homojen manyetik alan içerisinde bulunan alt enerji seviyesindeki çekirdeğin veya çekirdeklerin dışarıdan verilen bir enerji ile üst enerji seviyesine geçmesi ile gerçekleşir. Yani Rezonans olayı atom çekirdeğinin kendi doğal frekansına eşit veya daha yakın bir frekansa maruz kalması sonucu normalden çok daha büyük bir enerjide titremesidir (Rezonans Olmasıdır) kısacası makalemizin ilk sayfasında belirtilen presesyon hareketidir.

Bu olayı gerçekleştiren NMR cihazları üzerinde bulunan Süper iletken mıknatıslardır. Cihaz üzerinde bulunan Radyo Frekans Pulsu ve Radyo Frekans Alıcısı ise Süper İletken Mıknatısların Presesyona getirdiği hidrojen atom çekirdeklerini algılaması sonucunda giden ve gelen Radyo Frekanslarını (RF) bir bilgisayar yardımıyla işleyip verilendirmesidir. Biz bu verilendirme olayına Spektroskopi diyoruz. Kimyasal kayma dahil tüm veriler bir işlemciden geçirilip bilgisayar ortamına kaydedilmektedir, Yapayzeka yazılımı yardımı ile dakikalar içinde tüm veriler işlenerek yine yapayzeka tarafından yorumlanmaktadır. Sevgili okurlar öncelikle şunu belirtmek isterim ki çok fazla teknik detaylara girip sizleri sıkmak istemiyorum. Bilmenizde fayda olacağını düşündüğüm bazı konuları sizlere anlatmaya çalışacağım ne kadar başarılı olacağım bilmiyorum ancak T1 ve T2 konusu önemlidir. Buradan Yeni bir giriş ile başlamak istiyorum.

Makalemizin ilk bölümünde bahsettiğim rezonans olayı sırasında oluşan mıknatıslanma ile Larmor Frekansları yavaş olanlar geriye doğru hareket ederken, hızlı olanlar ileriye doğru hareket ederler ve bir yelpaze gibi açılırlar. Belirli bir zaman sonra yelpaze gibi açılan bu manyetik momentler eşit bir şekilde mıknatıslanmanın sıfır olacağı ana kadar geçen süreye Spin-Spin Durulma Zamanı T2 denir. Bu zaman zarfında başka olaylarda meydana gelmektedir bunun biriside, bazı çekirdekler enerjilerini çevreye (Örgüye) vererek tekrar eski durumlarına dönmüş olacaklardır. Bazı çekirdeklerinde manyetik moment rotasyonları hala devam etmektedir. Çekirdeklerin enerjilerini çevreye (Örgü) vererek tekrar eski konumlarına hızlı bir şekilde gelmeleri süresine Spin-Örgü Durulma Zamanı T1 denir. Spin-Örgü durulma zamanı her zaman Spin-Spin Durulma Zamanından büyüktür. Yani: T₁ > T₂ Bunun aksi asla olamaz. Molekül yapısı hakkında çok önemli bilgiler veren Spin-Spin etkileşme sabitleri ve bunları etkileyen faktörler kimyacılar yâda biyokimyacılar tarafından bilinmesi her ne kadar gerekliyse de biz jeofizikçiler için bu detayları bilmek gerekmez ancak yapayzeka spektrum yarılmalarını yorumlayamasaydı bunları bilmemiz kesinlikle gerekliydi.

Sayın Okurlarımız ve Kıymetli Öğrencilerimiz; Konumuz yeraltında su aramak bunun için bilmemiz gereken bazı konular vardır. Bu arama işlemi bir NMR cihazı ile yapılıyorsa eğer ki konumuz NMR Önemli konulardan biriside derinliktir. Kullanacağımız frekans Tipi, derinliğe göre değişmeyecektir. Frekans aralığımızı dünyanın manyetik alanı belirleyecektir çünkü her çekirdeğin kendi spini olduğu için bir manyetik alanı zaten var. Bu manyetik alan dünyanın manyetik alanı ile de son derece uyumlu hareket eder. Türkiye genelinde bu manyetik alan yaklaşık 46.000 nT ile 48.000 nT arasındadır. Buna göre 400 metrelere uygulamamız gereken frekans aralığı 1 ile 2 kHz arasıdır. Şunu bilmenizde fayda var 100, 300, 400 Metre hiç fark etmez kaç metreye bakarsanız bakın hidrojen atomunu rezonansa geçirecek anahtar frekans aynıdır ve bahsedildiği üzere dünyanın manyetik alanına göre şekillenir.

Özetlersek, şu sonuca varırız; Nükleer Manyetik Rezonansın Larmor Frekansı ile Çok kararlı radyo frekansları tarafından hidrojen atomlarından alınan veriler %100 doğrudur. Rezistivite yöntemindeki gibi “Bu yeraltı suyu tuzlu mu? Burada Su mu var yoksa kil mi bizi yanıltıyor?” gibi soruları ortadan kaldırmaktadır. Hidrolik iletkenlik ile su miktarının yanı sıra, suyun hareket edebilirliği hakkında da NMR sinyalleri bizlere bilgi vermektedir. Yani tespit edilen su durağan mı yoksa akışkan mı bunu tespit edebiliriz. Makalemizin bu bölümünde Rölaksasyon nedir bunu anlatmak istiyorum;

İkinci sayfasında bahsettiğimiz T1 ve T2 Süreleri Rölaksasyon süreleridir. Birkaç kelime ile kısaca özetlersek T1 Rölaksasyonu: Boylamsal geri gelmeyi ifade eder. (Çekirdeğin Eski Konumuna Gelmesi) T2 Rölaksasyonu ise enine manyetikleşmenin kaybolma süresidir. Milisaniye bazında ölçülür (ms) Buna göre biz NMR’de Rölaksasyon sürelerinden (Rs) su verimini rahatça anlayabiliyoruz. Buna göre; <30ms Rs Su debisinin çok düşük olduğunu, 30-100ms Rs Orta düzeyde olduğunu, 100-400ms Rs Yüksek düzeyde olduğunu ve >500ms Rs Çok yüksek düzeyde seyrettiğini söyleyebiliriz. Bu nedenle eğer yapayzeka devre dışı bırakılırsa Spektrum yarılmalarının son derece iyi analiz edilmesi gerekmektedir. Kişinin hayal gücü ve NMR tecrübesinin de burada çok etkisi vardır. Sizlere şunu söylemem gerekiyor NMR Spektrumları incelenirken inceleyen kişinin öncelikle çok iyi bir parçacık fiziği eğitiminin olması, çok iyi bir kimya bilgisinin olması gerekmektedir. Bunun için genelde biz bu raporları yapayzekaya yorumlatıyoruz gerçekten neredeyse sıfır hata ile çalışmaktadır.

Peki aklınıza şu soru geldi mi; NMR Cihazları Sıcak Suyu Tespit Edebilir mi?

Bu sorunun cevabı EVET olmalıdır. Peki nasıl? Hemen özetleyebilirim; NMR Spektroskopisinden elde edeceğimiz sinyal şiddetlerini iki enerji seviyesinde ayrılan proton sayılarına göre ayırırız. Protonların manyetik alan içerisinde oluşturdukları enerji seviyeleri arasındaki farkı çok küçüktür. Örnek; 14100 Gauss’luk bir manyetik alanda, protonun iki enerji seviyesindeki fark ∆E=0.005 cal/mol olarak bulunur. Bu değer bize, iki enerji seviyesindeki farkın çok küçük olduğu ortaya çıkmaktadır. Fazla matematiksel verilere ve fiziksel detaylara inmek istemiyorum kısaca anlatmaya çalışıyorum bunun için kusuruma bakmayın. Alt enerji seviyesi ve Üst Enerji seviyeleri proton sayılarının çekirdekteki popülasyonuna bağlıdır. Alt enerji seviyesinde bulunan protonların sayısının artması, NMR için çok önemli bir olaydır. Eğer Su Sıcaklığı Düşükse Alt ve Üst seviye olan proton sayıları yer değiştirir. Termodinamik yasalarına göre: “iki seviye arasında bir enerji farkı varsa, termal bir denge oluşur” Ancak bu fark çok küçük olduğundan çok dikkat edilmesi ve doğru tercüme edilmesi şarttır. Suyun sıcaklığı arttıkça su moleküllerinde hareketlilik artar. Bu durum, T1 ve T2 Rölaksasyon sürelerini uzatır. Yani soğuk suya nazaran hazırlanması daha geç olur. Ayrıca Difüzyon Katsayısı hızı artar. Ancak bu defa şöyle üç farklı problemle karşılaşabiliriz.

1. İletkenlik: termal sular genellikle mineraller bakımından zengindir bu nedenle yüksek iletkenliğe sahip olurlar. Tuzlu su ile karşılaşmanız durumunda sistem bunu ayırt edemeyebilir ve tuzlu soğuk suya termal tepkisi verebilir.
2. Sinyal gücü: Genelde termal sular için yüksek derinliklere inilmesi gerekmektedir. İleri düzey NMR cihazlarda 1000 Metreye kadar inilebilse de çözünürlük çok düşmektedir. Bu olay yapı tayinini zorlaştırmaktadır.
3. Manyetik parazit: Etüt yapılan bölgelerde volkanik kayaçlar veya yüksek manyetik minerallere sinyalleri bozabilir.

Bu nedenle sıcak suyun tespiti konusunda NMR ile yapılan etüt çalışmalarının MT (Manyetotellürik) yöntemini kullanan farklı bir cihazlarda NMR verilerinin Doğrulanası gerekmektedir.

Peki T1 ve T2 Süreleri Bize Neyi Anlatır?

T2 (ms) Süresi : 200 – 300 Arası İse (Tarımsal Sulamaya Elverişli Yüksek  Düzey Geçirgenliğe Sahip Tabaka)

T2 (ms) Süresi : 100 – 200 Arası İse (Tarımsal Sulamaya Elverişli Orta Düzey Geçirgenliğe Sahip Tabaka)

T2 (ms) Süresi : 50 – 100 Arası İse (Tarımsal Sulamaya Elverişli Olmayan Düşük Geçirgenliğe Sahip Tabaka)

Anlamına Gelir.

T2 (transvers/enine gevşeme) genellikle gözenek boyutu ve geçirgenlik ile ilişkilendirilir. T1 ise (longitudinal/boyuna gevşeme) Anlamı Taşır.

T1 protonların enerji kazandıktan sonra (pulse sonrası) tekrar denge durumuna, yani “Dünya’nın manyetik alanıyla hizalı” haline dönme hızıdır.

Kısa T1 Süreleri: Su, küçük gözeneklerde veya kil/mineral yüzeylerine çok yakın duruyor demektir (yüzey etkileşimi çok fazla). Bu su “bağlı su”dur; yani kolay kolay akmaz.

Uzun T1 Süreleri: Su, geniş boşluklarda (kum, çakıl vb.) serbestçe duruyor demektir. Bu, aradığımız “hareketli su”dur.

T1 Daima T2 Süresinden Uzundur.

Yazar: Kadir ÇİNİ