Magnetinis branduolių rezonansas (angl. nuclear magnetic resonance) yra galingas cheminės analizės įrankis. Metodo panaudojimas magnetinio rezonanso tomografijai yra nepakeičiamas įrankis medicininėje diagnostikoje. Tačiau jo panaudojimą riboja labai galingų magnetinių laukų ir didelių bei brangių superlaidinių magnetų poreikis.
Dabar Berklio laboratorijos mokslininkai su kolegomis pademonstravo, kad galima stebėti magnetinį branduolių rezonansą esant nuliniam magnetinio lauko stiprumui – visai nenaudojant magnetų.
Magnetinio branduolių rezonanso metodas asocijuojasi su labai dideliais, žemoje temperatūroje veikiančiais superlaidiniais magnetais. Tai vienas pagrindinių įrankių chemikų arsenale, kurį jie naudoja įvairiems tyrimams nuo alkoholio iki baltymo molekulių. Ligoninėse naudojama magnetinio rezonanso tomografija yra atliekama didžiulėmis ir triukšmingomis mašinomis, kurios yra nepakeičiamos diagnozuojant plataus spektro medicinines ligas.
Tai gali skambėti kaip mistika, tačiau dvi mokslininkų grupės, dirbančios Berklio laboratorijoje ir Kalifornijos Berklio universitete, kurių viena specializuojasi chemijoje, o kita atomo fizikoje, ilgai bendradarbiaudamos kaip viena tarpdisciplininė grupė, parodė, kad cheminę analizę atlikti, naudojant magnetinio branduolių rezonanso metodą, galima visai be magnetų.
Dmitrijus Budkeris (Dmitry Budker) iš Berklio laboratorijos Branduolių mokslo skyriaus (Nuclear Science Division) vadovauja mokslininkų grupei, kurios mokslinių interesų sritis apima fundamentinių kvantinės mechanikos teoremų tikrinimą, biomagnetizmo augaluose tyrimus, pagrindinių simetrijos savybių atomų branduoliuose neišsilaikymo nagrinėjimą. Dmitrijus Budkeris taip pat yra Kalifornijos Berklio universiteto profesorius. Aleksas Painas (Alex Pines) dirba Berklio laboratorijos Medžiagų mokslo skyriuje ir Kalifornijos Berklio universiteto Chemijos departamente. Jis yra magnetinio branduolių rezonanso specialistas ir vadovauja pastoviai besikeičiančiai studentų bei podaktarinėje stažuotėje esančių mokslininkų grupei. Abi grupės bendradarbiaudamos nagrinėjo magnetinį branduolių rezonansą, turėdami tikslą sukurti metodą, kuris leistų vykdyti matavimus nenaudojant magnetinių laukų.
Magnetinis branduolių rezonansas remiasi faktu, kad daugelis atomų branduolių turi sukinį. Sukinys nėra klasikinis dalelės sukimasis apie savo ašį. Tai tiesiog kvantinis skaičius. Branduoliai su sukiniu yra panašūs į mažytes planetas, turinčias pietų ir šiaurės polius, tai yra kiekvienas branduolys pasižymi dipoliniu magnetiniu lauku. Įprasto magnetinio branduolių rezonanso atveju šie branduoliai yra išlygiuojami stipraus išorinio magnetinio lauko. Jų tvarka suardoma apšvietus radijo bangomis. Dažnis, kuriuo kiekvienos rūšies branduolys svirduliuoja (precesuoja) magnetiniame lauke, yra unikalus ir vienareikšmiškai apibrėžia medžiagą. Pavyzdžiui, vandenilio-1 branduolio, kurį sudaro tik protonas, precesijos dažnis yra keturis kartus didesnis nei anglies-13 branduolio, turinčio šešis protonus bei septynis neutronus.
Šių signalų registravimas priklauso nuo galimybės registruoti sukinius. Jei medžiaga turėtų vienodą skaičių į viršų ir į apačią nukreiptų sukinių, ji turėtų nulinę poliarizaciją. Vadinasi, signalas nebūtų registruojamas. Kadangi į viršų (lauko kryptimi) nukreiptų sukinių orientacija reikalauja truputį mažiau energijos lyginant su į apačia nukreiptų sukinių orientacija, tai atomo branduolių su į viršų nukreiptais sukiniais yra santykinai daugiau.
„Įprasta logika sako, kad magnetinio branduolių rezonanso stebėjimas silpname arba nuliniame magnetiniame lauke yra bloga idėja, – sakė Budkeris. – Poliarizacija yra nedidelė, o galimybė registruoti signalą yra proporcinga išorinio lauko stiprumui“.
Magnetinio branduolių rezonanso spektre linijos teikia informaciją ne tik apie skirtingus elementus. Elektronai, esantys šalia precesuojančio branduolio, įtakoja precesijos dažnį ir apsprendžia cheminį poslinkį. Linija pasislenka arba suskyla į keletą spektrinių linijų. Įprasto metodo pagrindinis tikslas ir yra cheminis poslinkis, kuris susiejamas su tam tikru cheminiu elementu. Pavyzdžiui, jei dvi angliavandenilio molekulės turi tą patį vandenilio, anglies ar kitų atomų skaičių, jų spektras skirsis priklausomai nuo atomų tarpusavio išsidėstymo. Bėda ta, kad, nesant stipraus magnetinio lauko, cheminis poslinkis nėra didelis.
„Silpname arba nulinio stiprumo magnetiniame lauke magnetinio branduolių rezonanso matavimai susiduria su trimis problemomis: maža poliarizacija, mažas registravimo efektyvumas ir nėra cheminio poslinkio ženklų“, – pasakė Budkeris.
„Kyla retorinis klausimas, kam iš viso tai reikia daryti, – teigė vienas Budkerio grupės narių Mikahas Ledbeteris (Micah Ledbetter). – Pagrindinis tikslas – atsikratyti didelių ir brangių magnetų, reikalingų įprastiniuose magnetinio branduolių rezonanso matavimuose. Jei jūs sugebėsite tai padaryti, matavimus galima bus atlikti pageidaujamoje vietoje. Sumažės ir matavimų kaina. Idealu būtų cheminę analizę daryti po vandeniu, gręžiniuose, atmosferoje, o, gal būt, atlikti ir medicininę diagnostiką toli nuo gerai įrengtų medicininių centrų“.
„Kaip visada nutinka, – pridūrė Budkeris, – egzistuoja metodai, kurie leidžia apeiti problemas, susijusias su maža poliarizacija ir nedideliu registravimo efektyvumu. Suvedę šiuos du skirtingus metodus kartu, mes galime susidoroti taip pat ir su trečia problema – cheminiu poslinkiu. Vadinasi, magnetinio branduolių rezonanso matavimai nulinio stiprumo magnetiniame lauke, iš principo, nėra bloga idėja“.
