חוקרים משתמשים בספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) כדי לקבוע מבנים מולקולריים ואינטראקציות גרעיניות, תוך שימוש הן בשיטות מסורתיות של שדה גבוה והן בטכניקות חדשניות של שדה אפס, אשר מפשטות מערכי ניסוי ומרחיבות את סוגי הגרעינים שניתן לנתח. ההתקדמות האחרונה אפשרה מדידה מדויקת של גרעינים מרובע-קוטביים באמצעות NMR-שדה אפס, מה שמבטיח שיפורים משמעותיים ביישומים החל מאבחון רפואי ועד ניתוח כימי. קרדיט: אולג טרטיאק
חוקרים מאוניברסיטת מיינץ וה אוניברסיטת קליפורניה, ברקליעשו התקדמות משמעותית בספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית עם שדה אפס, וקבעו סטנדרטים חדשים לאמוד חישובי כימיה קוונטית.
מהו המבנה של מולקולה ספציפית? ואיך מולקולות מתקשרות זו עם זו? חוקרים פונים לעתים קרובות לספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) כדי לענות על שאלות אלה. NMR משתמש בשדה מגנטי חיצוני רב עוצמה כדי ליישר את הספינים של גרעיני אטום. ספינים מיושרים אלה מושרים לאחר מכן להסתובב על ידי שדה מגנטי חלש מתנודד המופק על ידי סלילים.
שינוי במתח כתוצאה מכך ניתן להמרה לתדרים הניתנים למדידה. בהתבסס על זה, חוקרים יכולים לזהות את המבנים המולקולריים תוך כדי חשיפת מידע מסוים על אינטראקציות הספין הגרעיני. עם זאת, סוג זה של חקירה מצריך שדות מגנטיים חזקים מאוד הנוצרים על ידי מכשירים מסיביים, אשר בעצמם קשה להתקין ולתחזק. יחד עם זאת, אפילו עם ציוד משוכלל שכזה, עדיין קשה לנתח גרעינים מרובע קוטביים, שהם סוג הגרעינים הנפוץ ביותר בטבע.
במקרה של תהודה מגנטית גרעינית של שדה אפס (NMR שדה אפס), אין צורך בשדה מגנטי חיצוני רב עוצמה. כאן, הצימודים התוך מולקולריים בין הספינים של גרעינים פעילים מגנטית הם האינטראקציה המכאנית הקוונטית השולטת.
הקווים הספקטרליים צרים וחדים יותר, וניתן אף לחקור דגימות במיכלים העשויים ממתכת או חומרים אחרים. ספקטרוסקופיה NMR שדה אפס משמשת כעת לניטור תגובות במיכלי מתכת או לניתוח צמחים; יש לו גם יישומים מבטיחים ברפואה. עם זאת, כדי להיות מסוגל למדוד את האינטראקציות הקטנות בין הספינים, יש צורך לספק מיגון מפני השדה המגנטי של כדור הארץ, שהוא משימה מורכבת בפני עצמה.
הגדרה ניסיונית פשוטה אך מדויקת יותר
חוקרים מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ (JGU) ומכון הלמהולץ מיינץ (HIM), בשיתוף פעולה עם עמיתים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, הצליחו לאחרונה למדוד גרעינים מרובע קוטביים באמצעות NMR של שדה אפס. "ניתחנו מולקולת אמוניום, NH4+קטיון שממלא תפקיד חשוב ביישומים שונים", אמרה ד"ר דנילה ברסקי, ראש צוות JGU.
"אנו מקווים שבעתיד נוכל לזהות מולקולות אלו גם בסביבות מורכבות, כמו כורים ומיכלי מתכת".
החוקרים הצליחו להמציא מערכת שפשוט כוללת ערבוב מלחי אמוניום עם מים והוספת כמויות שונות של דאוטריום. לאחר מכן תועדו הספקטרום האישי ונותחו. לצורך ניתוח זה, המדענים השתמשו במגנטומטר זמין מסחרי – לא גדול מציפורן – במערכת אנליטית קומפקטית שנבנתה ביתית עם מיגון מגנטי.
מדידות דיוק לבדיקת תיאוריות קיימות
החוקרים בחנו גם שאלה מעניינת נוספת: באיזו מידה מספר אטומי הדאוטריום במולקולת אמוניום משפיע על הספקטרום ועל מאפייני הרפיה של ספינים?
כפי שציין רומן פיקזו-פרוטוס, סטודנט במכון JGU לפיזיקה והמחבר הראשי של הפרסום המקביל: "באמצעות השיטה שלנו, ניתן לקבוע תדרי תהודה ברמת דיוק גבוהה מאוד. מכיוון שניתן להשוות את התוצאות המיוצרות על ידי טכניקה זו לנתונים ניסויים אחרים, ניתן להשתמש בה עבור חישובי כימיה קוונטית בהשוואה. אנו מקווים שהמערכת שלנו תהפוך לפרקטיקה רגילה בעתיד הקרוב".
למרות שהתחזיות המבוססות על תיאוריות עדכניות מתאימות באופן הדוק לתוצאות שהושגו על ידי הצוות, ישנן סטיות קטנות. "העבודה שבוצע על ידי הצוות הרחיבה במידה ניכרת את טווח המולקולות שניתן לנתח באמצעות טכניקות NMR בשדה אפס עד נמוך במיוחד. זה עשוי אפילו לתרום לפיתוח של יישומים חדשניים שיוכלו לשמש כדי לחקור את הגרעינים של אטומים עם מספר אטומי קטן באמצעות ריקבון גמא רדיואקטיבי שלהם", סיכם פרופסור דמיטרי בודקר מ-JGU.
