25. januára 2020
Spektroskopia jadrovou magnetickou rezonanciou

Magnetická rezonancia II – Spektroskopia jadrovou magnetickou rezonanciou

(Toto je pokračovanie prvej časti článku o magnetickej rezonancii)

Slovné spojenie z nadpisu (skrátene NMR spektroskopia z anglického nuclear magnetic resonance) je populárna a spoľahlivá metóda určená na rozpoznávanie chemických zlúčenín. Dávno som žiadne CSI nevidel, ale predpokladám, že niekedy identifikujú špeciálnu červenú farbu používanú iba pre Corvette z roku 1980 aj NMR spektroskopiou (pomôcka: ak vzorku vložia do relatívne malého prístroja na stole v kancelárii, nie je to NMR, ak do veľkého suda niekde v pivnici, je to NMR).

NMR spektroskopia je založená na magnetickej rezonancii atómových jadier v molekulách. Najčastejšie sa sledujú jadrá vodíka, pretože ide o bežný prvok v rôznych typoch zlúčenín.

Vlastnosť magnetickej rezonancie umožňujúca NMR spektroskopiu je závislosť energetického rozdielu medzi dvoma natočeniami magnetu jadra vodíka od okolitých atómov a chemických väzieb. Teda molekula obsahujúca viacero atómov vodíka s rôznym okolím bude absorbovať a vyžarovať rádiofrekvenčné žiarenie niekoľkých frekvencií. Napríklad molekula etanolu, CH3CH2OH, má tri skupiny vodíkov: vodíky v CH3 skupine, v CH2 skupine a v OH skupine (vodíky v rámci jednej skupiny sú rovnocenné a budú mať rovnaký NMR signál). Každá z týchto skupín bude absorbovať pri inej frekvencií [1].

Hodnoty frekvencií rádiofrekvenčného žiarenia, ktoré absorbuje molekula v silnom magnetickom poli (odborne sa tento súbor frekvencií nazýva NMR spektrum) sú špecifické pre každú molekulu (obľúbená metafora sú odtlačky prstov).

Chemici si vytvorili sadu pravidiel, pomocou ktorých možno zrekonštruovať molekulu podľa jej NMR spektra. Pre jednoduchšie molekuly je zistenie ich štruktúr z NMR spektier použitím týchto pravidiel zaujímavý hlavolam vyriešiteľný pomocou ceruzky a papiera (NMR spektrum je často doplnené inými meraniami, aby určenie molekuly bolo ľahšie alebo vôbec možné). Pre zložitejšie molekuly sa namerané spektrá dajú porovnávať s výsledkami výpočtov vychádzajúcich z kvantovej mechaniky a vyžadujúcich výkonné počítače.

Okrem atómových jadier sa pre magnetickú rezonanciu dajú použiť aj elektróny v molekulách, čo je užitočné pre rozpoznávanie molekúl s nespárovanými elektrónmi. Na rozdiel od NMR, elektróny absorbujú žiarenie v mikrovlnnej oblasti (teda pri vyšších energiách ako jadrá) a aby to nebolo príliš prehľadné, metóda sa nenazýva EMR, ale EPR (elektrónová paramagnetická [2] rezonancia) alebo ESR (elektrónová spinová rezonancia).

3) Medicína: zobrazovanie magnetickou rezonanciou
Zobrazovacia technika používaná v medicíne je vlastne jadrová magnetická rezonancia, ktorú sme si popísali vyššie v chemickom kontexte.

Pre pokoj pacientov sa však vypustilo slovo “jadrová” [3], napriek tomu, že pacienta pri vyšetrení nepostihne nič nukleárne alebo rádioaktívne. Atómové jadrá, ktoré rezonujú v magnetickej rezonancii, sú totiž atómové jadrá, z ktorých sa skladá jeho telo. Jediné, čo pacienta ožaruje, je rádiový vysielač. [4]

Pri pacientovi však nie je cieľom pracne skúmať pri ktorých všetkých frekvenciách vyžaruje a rozpoznať, z akých chemikálií sa skladá. Cieľom je podľa intenzity signálu rozlíšiť rôzne tkanivá (čím bohatšie vodík, tým intenzívnejší signál).

Absorpcia pri rôznej frekvencii sa využíva tiež, ale iným spôsobom. Posun frekvencie sa dosahuje cielene použitím druhého magnetického poľa, ktoré je slabšie ako základné pole dosahujúce natočenie jadrových magnetov. Toto druhé pole sa postupne mení naprieč telom pacienta (preto sa nazýva gradientové pole), čím sa dosiahne, že frekvencia absorbovaného a vyžiareného žiarenia závisí od miesta tela. Otáčanie gradientového poľa a následné meranie umožňuje lekárom získať 3D obraz pacientovho vnútra.

Gradientové pole sa vytvára elektromagnetmi. Keď sa tieto elektromagnety zapnú, začne na ne pôsobiť sila z dôvodu prítomnosti silného magnetického poľa hlavného magnetu. Táto sila nimi chce hýbať, čo spôsobuje charakteristické hlučné búchanie MR stroje, kvôli ktorému musia pacienti počas vyšetrenia nosiť slúchadlá.

4) Kvantové počítače
Táto exotická aplikácia magnetickej rezonancie bola naznačená vo včerajšom článku v poznámke 4. Magnet častice môže smerovať v smere alebo proti smeru vonkajšieho magnetického poľa, to sú dva stavy 0 a 1. Častica je mikroskopický kvantový systém a preto sú dovolené aj kvantové superpozície stavov 0 a 1, presne ako si treba na kvantový bit (qubit). Rádiofrekvenčné žiarenie zase prestavuje spôsob, ako s qubitmi manipulovať. Magnetická rezonancia je preto perspektívna technológia pre realizáciu kvantového počítača.

[Lukáš]

Poznámky:
[1] Dokonca to budú viac ako tri frekvencie, pretože vodíky susedných skupín svojimi magnetmi ovplyvňujú okolité vodíky tak, že dovoľujú absorpciu aj pri ďalších frekvenciách tesne vedľa základnej frekvencie danej skupiny.

[2] Paramagnetická zlúčenina je taká, ktorá má nespárované elektróny.

[3] Naozaj. Preto sa po anglicky sa používa skratka MRI – magnetic resonance imaging, teda zobrazovanie magnetickou rezonanciou a nie NMR.

[4] Od slova rádio, nie rádium.

Zdroj obr: http://www.enablingtechnologies.eu/facilities-nuclear-magnetic-resonance/700-mhz-nmr-spectrometer

Pridaj komentár