Новости химической науки > ЯМР и МРТ переходят на наноуровень

Для понимания детальных особенностей поведения биологических систем или материалов необходима детальная информация об их химическом строении и поведении на микро- и наноуровне, однако существующие методы анализа имеют свои пределы.

Дело в том, что для анализа требуются большие образцы или низкие температуры; также возможны случаи, когда анализ может предоставить только химическую информацию и не дать информацию о структуре, как, впрочем, и наоборот.

Новый подход к спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволяет получить информацию как о химии, так и о трехмерном строении наноразмерных объектов при комнатной температуре.

В новом детекторе ЯМР, результаты исследования которого с помощью флуоресцентной микроскопии отображены на иллюстрации, интенсивность флуоресценции азотных вакансий в алмазе зависит от ядерной спиновой поляризации образца. (Рисунок из 2013, DOI: 10.1126/science.1231540)

В традиционной ЯМР-спектроскопии образец помещается в магнитное поле. Спины атомных ядер с нечётным количеством нуклонов, как правило – ядра нуклидов ¹H и ¹³C ориентируются либо по направлению, либо обратно направлению векторов магнитного поля. Несколько большая часть ядер ориентируется «по полю», что приводит к поляризации ядерного спина. Степень поляризации измеряется за счет возбуждения ядер радиочастотой и детектирования энергии, которая испускается ядрами. Применяющаяся в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) работает по такому же принципу.

Обычный детектор ЯМР или МРТ представляет собой катушку электромагнита, что, очевидно, является фактором, не позволяющим уменьшать размеры образца ниже определенного предела – такой детектор недостаточно чувствителен при уменьшении размеров образца ниже микрометровых.

Для того, чтобы уменьшить размеры детектора ЯМР сразу две исследовательские группы независимо друг от друга разработали детектор из алмаза с дефектом, который обозначается как центр азотной вакансии [nitrogen-vacancy (NV) center] – в таком дефекте два атома углерода заменены на атом азота и вакансию в кристаллической решетке. Результаты предыдущих исследований показали, что азотные вакансии чувствительны к внутреннему магнитному полю алмаза. Результаты нового исследования демонстрируют, что флуоресценция таких центров может использоваться для детектирования магнитных полей, источник которых находится вне алмаза. Обе исследовательские группы смогли приспособить центры азотных вакансий для определения ядерной поляризации атомов водорода в полиметилметакрилате в образце объемом 5 нм, для извлечения структурной информации из данных о поляризации ядер необходима дальнейшая работа над методом.

В отличие от методов ЯМР и МРТ для методики, основанных на системе азотных вакансий, не требуется внешнее магнитное поле. Из-за относительно небольшого количества атомов в наноразмерных образцах спины ядер не находятся в состоянии макроравновесия, а поляризованы естественным образом – это приводит к тому, что магнитное состояние центров азотных вакансий изменяется, чувствуя ядерную поляризацию образца.

Источник: Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1231540; Science, 2013, 10.1126/science.1231675

метки статьи: #аналитическая химия, #физическая химия