Magnetinis branduolių rezonansas be magnetų

  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT data, created, headers, expire, serialized FROM cache_filter WHERE cid = '3:8d2d82f5668afa71b83ca7213a889f58' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 26.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE cache_filter SET data = '<p>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. </p>\n<p>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. </p>\n<p>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. </p>\n<p>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. </p>\n<p>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. </p>\n<p>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. </p>\n<p>„Įprasta logika sako, kad magnetinio branduolių rezonanso stebėjimas silpname arba nuliniame magnetiniame lauke yra bloga idėja, - pasakė Budkeris, - kadangi poliarizacija yra nedidelė, o galimybė registruoti signalą yra proporcinga išorinio lauko stiprumui“.</p>\n<p>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. </p>\n<p>„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. </p>\n<p>„Kyla retorinis klausimas, kam iš viso tai reikia daryti, - pasakė 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“. </p>\n<p>„Kaip visada nutinka, - pratęsė Budkeris, - egzituoja 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“. </p>\n<p>Bendra sukinių orientacija gali būti padidinta įvairiais metodais, žinomais bendru pavadinimu kaip hyperpoliarizacija. Vienas iš būdų, leidžiančių hyperpoliarizuoti vandenilio dujų pavyzdėlį, susijęs su paravandenilio ir ortovandenilio santykio pakeitimu. Kaip ir daugelis dujų įprastinėje temperatūroje ir esant įprastiniam slėgiui, vandenilio molekulė yra sudaryta iš dviejų susijungusių atomų. Jei branduolių sukiniai yra nukreipti viena kryptimi, turime ortovandenilį. Jei sukiniai nukreipti skirtingomis kryptimis, gaunamas paravandenilis. </p>\n<p>Iš kvantinės mechanikos seka, kad, sudedant vandenilio molekulės dviejų protonų ir dviejų elektronų sukinių būsenas, galima trimis būdais gauti ortovandenilį su sukiniu lygiu vienetui. Paravandenilio sukinys visada lygus nuliui. Todėl ortovandenilio molekulės sudaro tris ketvirčius vandenilio dujų, o paravandenilis – vieną ketvirtį. </p>\n<p>Paravandenilio dalis gali būti padidinta penkiasdešimt ar net visą šimtą procentų prie labai mažų temperatūrų, tam reikia tam tikro katalizatoriaus, nes, priešingu atveju, tam gali prireikti keleto dienų ar net savaičių. Tada chemiškai veikiant nulinio sukinio paravandenilio molekules pradine chemine medžiaga galima gauti didelės poliarizacijos medžiagą. Tokia hyperpoliarizacija gali būti pritaikyta ne tik molekulių, tiesiogiai sąveikaujančioms su vandeniliu, dalims, bet ir didelės molekulės nutolusioms dalims. Pino grupė yra dideli meistrai, kuriantys paravandenilio produktus bei darantys hiperpoliarizaciją. </p>\n<p>„Turint didelę paravandenilio dalį medžiagoje, gaunamas siaubingas poliarizacijos laipsnis, - pasakė Ledbeteris. - Esmė yra, kad jo sukinys lygus nuliui. Jis neturi magnetinio momento, todėl nesiunčia signalo. Bet niekas nėra prarasta“.</p>\n<p>Paveikslėlyje parodytas grupės sukurtas įrenginys, skirtas magnetinio branduolių rezonanso tyrimams vykdyti. Įrenginys yra tik kelių centimetro aukščio ir jame nėra magnetų. Bandinys vamzdelyje (žalia spalva) yra poliarizuojamas paravandenilio dujomis. Spektras matuojamas magnetometru, esančiu įrenginio centre. Lazerio spinduliai, susikertantys tam tikru kampu, užkrauna ir matuoja atomų charakteristikas. </p>\n', created = 1569269640, expire = 1569356040, headers = '', serialized = 0 WHERE cid = '3:8d2d82f5668afa71b83ca7213a889f58' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 109.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT data, created, headers, expire, serialized FROM cache_filter WHERE cid = '3:400af2a94c5135e523b09401167ee0af' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 26.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE cache_filter SET data = '<p><a href=\"http://www.physorg.com/news/2011-05-nuclear-magnetic-resonance-magnets.html\" target=\"_blank\">PhysOrg</a></p>\n', created = 1569269640, expire = 1569356040, headers = '', serialized = 0 WHERE cid = '3:400af2a94c5135e523b09401167ee0af' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 109.
  • user warning: Table './naujienos01/captcha_sessions' is marked as crashed and should be repaired query: INSERT into captcha_sessions (uid, sid, ip_address, timestamp, form_id, solution, status, attempts) VALUES (0, '71umu28k4nu9okejshhsa9god2hfprs6', '3.227.254.12', 1569269640, 'comment_form', 'undefined', 0, 0) in /srv/www/htdocs/naujienos/sites/all/modules/captcha/captcha.inc on line 92.
  • user warning: Table './naujienos01/captcha_sessions' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT status FROM captcha_sessions WHERE csid = 0 in /srv/www/htdocs/naujienos/sites/all/modules/captcha/captcha.inc on line 112.
  • user warning: Table './naujienos01/captcha_sessions' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT status FROM captcha_sessions WHERE csid = 0 in /srv/www/htdocs/naujienos/sites/all/modules/captcha/captcha.inc on line 112.
  • user warning: Table './naujienos01/captcha_sessions' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE captcha_sessions SET timestamp=1569269640, solution='mAA' WHERE csid=0 in /srv/www/htdocs/naujienos/sites/all/modules/captcha/captcha.inc on line 104.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT data, created, headers, expire, serialized FROM cache_filter WHERE cid = '3:d3772bfe13f45a6d159b3f3caa708d8a' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 26.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE cache_filter SET data = '<p><a target=\"_blank\" href=\"http://www.hey.lt/details.php?id=mokslasplius\"><img width=\"88\" height=\"31\" border=\"0\" src=\"http://www.hey.lt/count.php?id=mokslasplius\" alt=\"Hey.lt - lankytojų skaitliukas\"></a></p>\n', created = 1569269640, expire = 1569356040, headers = '', serialized = 0 WHERE cid = '3:d3772bfe13f45a6d159b3f3caa708d8a' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 109.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: SELECT data, created, headers, expire, serialized FROM cache_filter WHERE cid = '3:9d464a75de7638794fc244f43967505a' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 26.
  • user warning: Table './naujienos01/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE cache_filter SET data = '<style>#mvv {position: absolute; top: 1px; left: 50%; margin-left: -505px;} #mvv a, #mvv a:visited {color: #000; padding: 3px 5px; background: #A0A0A0; text-decoration: none;} #mvv a:hover {color: #fff; background: #5F5F5F;}</style><div id=\"mvv\"><a href=\"http://mokslasplius.lt\">mokslasplius.lt</a></div>\n', created = 1569269640, expire = 1569356040, headers = '', serialized = 0 WHERE cid = '3:9d464a75de7638794fc244f43967505a' in /srv/www/htdocs/naujienos/includes/cache.inc on line 109.

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, - pasakė Budkeris, - kadangi 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, - pasakė 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, - pratęsė Budkeris, - egzituoja 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“.

Bendra sukinių orientacija gali būti padidinta įvairiais metodais, žinomais bendru pavadinimu kaip hyperpoliarizacija. Vienas iš būdų, leidžiančių hyperpoliarizuoti vandenilio dujų pavyzdėlį, susijęs su paravandenilio ir ortovandenilio santykio pakeitimu. Kaip ir daugelis dujų įprastinėje temperatūroje ir esant įprastiniam slėgiui, vandenilio molekulė yra sudaryta iš dviejų susijungusių atomų. Jei branduolių sukiniai yra nukreipti viena kryptimi, turime ortovandenilį. Jei sukiniai nukreipti skirtingomis kryptimis, gaunamas paravandenilis.

Iš kvantinės mechanikos seka, kad, sudedant vandenilio molekulės dviejų protonų ir dviejų elektronų sukinių būsenas, galima trimis būdais gauti ortovandenilį su sukiniu lygiu vienetui. Paravandenilio sukinys visada lygus nuliui. Todėl ortovandenilio molekulės sudaro tris ketvirčius vandenilio dujų, o paravandenilis – vieną ketvirtį.

Paravandenilio dalis gali būti padidinta penkiasdešimt ar net visą šimtą procentų prie labai mažų temperatūrų, tam reikia tam tikro katalizatoriaus, nes, priešingu atveju, tam gali prireikti keleto dienų ar net savaičių. Tada chemiškai veikiant nulinio sukinio paravandenilio molekules pradine chemine medžiaga galima gauti didelės poliarizacijos medžiagą. Tokia hyperpoliarizacija gali būti pritaikyta ne tik molekulių, tiesiogiai sąveikaujančioms su vandeniliu, dalims, bet ir didelės molekulės nutolusioms dalims. Pino grupė yra dideli meistrai, kuriantys paravandenilio produktus bei darantys hiperpoliarizaciją.

„Turint didelę paravandenilio dalį medžiagoje, gaunamas siaubingas poliarizacijos laipsnis, - pasakė Ledbeteris. - Esmė yra, kad jo sukinys lygus nuliui. Jis neturi magnetinio momento, todėl nesiunčia signalo. Bet niekas nėra prarasta“.

Paveikslėlyje parodytas grupės sukurtas įrenginys, skirtas magnetinio branduolių rezonanso tyrimams vykdyti. Įrenginys yra tik kelių centimetro aukščio ir jame nėra magnetų. Bandinys vamzdelyje (žalia spalva) yra poliarizuojamas paravandenilio dujomis. Spektras matuojamas magnetometru, esančiu įrenginio centre. Lazerio spinduliai, susikertantys tam tikru kampu, užkrauna ir matuoja atomų charakteristikas.

Aktualios nuorodos

Vaizdinė CAPTCHA užduotis