Naukowcy wykorzystują spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) do określania struktur molekularnych i interakcji jądrowych, wykorzystując zarówno tradycyjne metody wysokiego pola, jak i innowacyjne techniki pola zerowego, które upraszczają konfiguracje eksperymentów i poszerzają typy jąder, które można analizować. Ostatnie postępy umożliwiły precyzyjny pomiar jąder kwadrupolarnych za pomocą NMR w polu zerowym, co stanowi obietnicę znacznych ulepszeń w zastosowaniach, od diagnostyki medycznej po analizę chemiczną. Źródło: Oleg Tretiak
Naukowcy z Uniwersytetu w Moguncji i Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleypoczynili znaczące postępy w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego w polu zerowym, ustanawiając nowe standardy w zakresie porównań obliczeń chemii kwantowej.
Jaka jest struktura konkretnej cząsteczki? I jak cząsteczki oddziałują ze sobą? Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze często sięgają po spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). NMR wykorzystuje silne zewnętrzne pole magnetyczne do wyrównania spinów jąder atomowych. Te wyrównane spiny są następnie indukowane do obrotu przez oscylujące słabe pole magnetyczne wytwarzane przez cewki.
W rezultacie zmianę napięcia można przekształcić na mierzalne częstotliwości. Na tej podstawie badacze mogą zidentyfikować struktury molekularne, ujawniając jednocześnie pewne informacje na temat interakcji spinów jądrowych. Jednakże tego typu badania wymagają bardzo silnych pól magnetycznych wytwarzanych przez masywne urządzenia, które same w sobie są trudne w instalacji i konserwacji. Jednocześnie, nawet przy tak skomplikowanym sprzęcie, nadal trudno jest analizować jądra kwadrupolarne, które są najliczniejszym rodzajem jąder w przyrodzie.
W przypadku jądrowego rezonansu magnetycznego o zerowym polu (NMR o polu zerowym) nie ma potrzeby stosowania silnego zewnętrznego pola magnetycznego. W tym przypadku dominującym oddziaływaniem mechaniki kwantowej są sprzężenia wewnątrzcząsteczkowe pomiędzy spinami jąder aktywnych magnetycznie.
Linie widmowe są dzięki temu węższe i ostrzejsze, a próbki można badać nawet w pojemnikach wykonanych z metalu lub innych materiałów. Spektroskopia NMR w polu zerowym jest obecnie stosowana do monitorowania reakcji w metalowych pojemnikach lub do analizy roślin; ma również obiecujące zastosowania w medycynie. Aby jednak móc zmierzyć małe interakcje pomiędzy spinami, konieczne jest zapewnienie ekranowania przed ziemskim polem magnetycznym, co samo w sobie jest skomplikowanym przedsięwzięciem.
Prosta, ale bardziej precyzyjna konfiguracja eksperymentalna
Naukowcom z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU) i Instytutu Helmholtza w Moguncji (HIM), współpracując z kolegami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, udało się niedawno zmierzyć jądra kwadrupolarne za pomocą NMR w polu zerowym. „Przeanalizowaliśmy cząsteczkę amonu, NH4+kation, który odgrywa ważną rolę w różnych zastosowaniach” – powiedziała dr Danila Barskiy, szefowa zespołu JGU.
„Mamy nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie wykryć te cząsteczki nawet w skomplikowanych środowiskach, takich jak reaktory i metalowe pojemniki”.
Naukowcom udało się opracować system polegający po prostu na zmieszaniu soli amonowych z wodą i dodaniu różnych ilości deuteru. Następnie rejestrowano i analizowano poszczególne widma. Do tej analizy naukowcy wykorzystali dostępny na rynku magnetometr – nie większy od paznokcia – w samodzielnie zbudowanym kompaktowym systemie analitycznym z ekranowaniem magnetycznym.
Precyzyjne pomiary w celu sprawdzenia istniejących teorii
Naukowcy zbadali także inne interesujące pytanie: w jakim stopniu liczba atomów deuteru w cząsteczce amonu wpływa na widmo i charakterystykę relaksacji spinów?
Jak zauważył Román Picazo-Frutos, student Instytutu Fizyki JGU i główny autor odpowiedniej publikacji: „Dzięki naszej metodzie możliwe jest określenie częstotliwości rezonansowych z bardzo dużą precyzją. Ponieważ wyniki uzyskane tą techniką można porównać z innymi danymi eksperymentalnymi, można ją wykorzystać do porównań obliczeń chemii kwantowej. Mamy nadzieję, że nasz system stanie się w najbliższej przyszłości standardem.”
Choć przewidywania oparte na aktualnych teoriach ściśle korelują z wynikami uzyskanymi przez zespół, występują niewielkie odchylenia. „Prace podjęte przez zespół znacznie poszerzyły zakres cząsteczek, które można analizować za pomocą technik NMR o zerowym i ultraniskim polu. Może nawet przyczynić się do opracowania innowacyjnych zastosowań, które można by wykorzystać do badania jąder atomów o małych liczbach atomowych na drodze ich radioaktywnego rozpadu gamma” – podsumowuje profesor Dmitry Budker z JGU.
Odniesienie: „J-spektroskopia J w polu zerowym jąder kwadrupolarnych” autorstwa Romána Picazo-Frutosa, Kirilla F. Sheberstova, Johna W. Blancharda, Erika Van Dyke’a, Moritza Reha, Tobiasa Sjoelandera, Alexandra Pinesa, Dmitry’ego Budkera i Danili A. Barskiy, 27 maja 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48390-2
