תהודה מגנטית גרעינית (NMR) משתמשת במגנטים על-מוליכים אשר מקוררים לטמפ’ נמוכות במיוחד. היא משומשת, בין השאר, לביצוע בדיקות בתהודה מגנטית (מה שנקרא MRI) ולכלי מרכזי בתחום הכימיה האנליטית (בדיקת הרכב חומרים).
כיום, על מנת לקבל סיגנל יש צורך במגנטים חזקים. היפטרות מהמגנטים הגדולים של ה-MRI תוכל לאפשר בדיקות כימיות בכל שטח שהוא (מתחת למים, באטמוספירה, ובמקומות קשים אחרים) ולבצע אבחונים רפואיים בכל מקום בקלות.
לאחרונה, המחקר מגלה שאין צורך במגנט חיצוני לצורך תהודה מגנטית גרעינית, וכיום כבר הצליחו מדענים מאוניברסיטת ברקלי לבצע אנליזה כימית ללא עזרתו.
עיקרון ה-NMR וה-MRI מתבסס, בין השאר, על שתי תכונות של גרעיני יסודות האטומים:
1. תכונת הספין.
2. דו-קוטביות הגרעינים (קוטב צפוני ודרומי-בדומה לקטבי כדור הארץ).
בתהודה מגנטית רגילה הגרעינים מסתדרים בכיוון השדה המגנטי החיצוני ואז משנים את כיוונם בחשיפה לגלי רדיו.
זיהוי קצב ההתנדנדות של הספין בסיטואציה זו שונה מיסוד ליסוד (לדוגמא- גרעין של מימן בעל פרוטון יחיד מתנודד פי 4 יותר מהר מגרעין פחמן 13 המכיל 6 פרוטונים ו-7 נויטרונים) והמכשיר מתמקד בזיהוי הספין.
אם קיים מספר זהה של גרעינים בעלי ספין-מעלה ומספר זהה של גרעינים בעלי ספין-מטה, הקיטוב הכולל יהיה מאופס ולא יהיה סיגנל אבל מכיוון שהכיווניות של ספין-מעלה דורשת מעט פחות אנרגיה, אוכלוסיית גרעיני האטומים היא בעלת עודף מועט של ספין-מעלה וזה מה שנמדד.
בגלל ההבדל המועט יש צורך בשדות מגנטיים חזקים ליצור שוני מספיק גדול, לכן ללא מגנט חיצוני ייווצרו שלושה בעיות:
1. קיטוב קטן
2. יכולת זיהוי נמוכה
3. היעדר חתימה של היסט כימי
טיפול בבעיית הקיטוב הנמוך
כיום כבר קיימים שיטות המתגברות על קיטוב קטן ויכולת זיהוי נמוכה כאשר לא קיים מגנט חיצוני וזאת בעזרת מה שנקרא “על-קיטוב”.
המימן, כמו רוב הגזים, בטמפרטורה ולחץ רגילים, מכיל שני אטומים הקשורים יחדיו. אם הספינים של גרעיני האטום מכוונים לאותו כיוון, החלקיק נקרא אורתו-מימן ואם הספינים מכוונים לכיוונים מנוגדים החלקיק נקרא פארא-מימן.
הפארא-מימן הוא מאופס מבחינת הספינים שבו ואילו האורתו-מימן, בשל סיכום מצבי ספינים של 2 פרוטונים ו-2 אלקטרונים יכול להגיע בשלושה דרכים למצב שבו סיכום הספינים מגיע להיות שווה ל-1).
על-קיטוב (הגברת הקיטוב) יכולה להיעשות בעזרת שינוי היחס בין פארא-מימן לבין האורתו-מימן המצויים בגז המימן.
מולקולות אורתו-מימן, באופן רגיל, מהוות שלושה רבעים מגז המימן והרבע האחר הוא פארא-מימן. יש אפשרות להגביר את הפארא-מימן ל-50% ואפילו ל-100% בטמפרטורות נמוכות מאוד ובעזרת זרז מתאים- כך ניתן לקבל גז מימן מקוטב מאוד.
טיפול בבעיית הגברת יכולת הזיהוי
הגברת יכולת הזיהוי יכולה להיעשות בעזרת גלאים רגישים אשר נקראים מגנטו-מטרים אופטיים-אטומיים. גלאים אלו, בקירור לטמפ’ נמוכות מאוד, יכולים למדוד את כל האטום ולא רק את הגרעין.
בשיטה הזו מודדים שדה מגנטי חיצוני באמצעות מדידת הספין של האטומים השלמים בתוך תא אדים שנמצא במגנטו-מטר והמכיל ברוב המקרים גז דליל של מתכת אלקלית מסוג אשלגן או רובידיום.
בעזרת קרן לייזר ראשונה, אשר מקטבת את האטומים ומשפיעה על הספין שלהם וקרן לייזר שנייה אשר מודדת את שיעור התנודות, אפשר לקבוע את עוצמת השדה החיצוני. כך מוגדל באופן משמעותי הזמן שלוקח לשדה לאבד את הקוטביות שלו- מה שנקרא “זמן התפוגה” (relaxation time).
התגברות על בעיית ההיסט הכימי
את ההיסט הכימי לא ניתן למדוד בשדה השווה לאפס אבל ניתן למדוד אות חלש יותר ב- NMR, לפחות לצורכי אנליזה כימית.
אות זה נקרא צימוד j-j-coupling והוא מתייחס ליחסי הגומלין שבין שני פרוטונים (או כל שני גרעינים אחרים בעלי ספין) אשר מתווכים על-ידי האלקטרונים שלהם.
חישוב אות זה יכול להגדיר את טיב החומר הכימי הנמדד בעזרת קביעת הזווית בין הקשרים הכימיים בחומר והמרחקים שבין הגרעינים.
לשם זיהוי אות זה בנו החוקרים מגנטו-מטר ספציפי לשם זיהוי אות צימוד J
בשדה מגנטי ששווה לאפס.
בעזרת התגברות על בעיות אלו הצליח המחקר עד היום לקבל ספקטרום ברור וספציפי באמצעות מכשיר אשר מאפשר אנליזה כימית ניידת וזולה. בהמשך, עם התפתחותו העתידנית של המחקר, יתכן מאוד שאפשר יהיה לערוך בדיקות MRI ללא מגנט חיצוני.
קישור לידיעה