الرنين المغناطيسي النووي بدون مغناطيس؟

يعد الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وهو طريقة علمية تتضمن مغناطيسات فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة للغاية، أحد الأدوات الرئيسية في أيدي الكيميائيين، ويستخدم اليوم في الاختبارات التحليلية التي تتراوح من المعادن والبروتينات إلى أبحاث الحوسبة الكمومية. في المستشفيات، يتم استخدام جهاز مماثل، التصوير بالرنين المغناطيسي، لتشخيص مجموعة واسعة من الحالات الطبية.

قد يبدو الأمر كالسحر، لكن مجموعتين من العلماء من مختبرات جامعة بيركلي أثبتت الآن أنه من الممكن إجراء تحليل كيميائي بواسطة TMG دون استخدام المغناطيس على الإطلاق.

تعتمد طرق TMD والتصوير بالرنين المغناطيسي على حقيقة أن العديد من نوى العناصر الذرية لها دوران (خاصية كمومية) وتشبه القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي للأرض - فهي تحتوي على مجالات مغناطيسية ثنائية القطب. وفي طريقة NMG العادية، تصطف هذه النوى في نفس الاتجاه عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي، ثم تغير اتجاهها عند تعرضها لموجات الراديو. إن المعدل الذي "يتأرجح" به كل نوع من النواة نتيجة لذلك هو معدل فريد ويسمح بتحديد العنصر؛ على سبيل المثال - نواة الهيدروجين -1، وهي بروتون واحد، تتأرجح أسرع بأربع مرات من نواة الكربون -13، التي تحتوي على ستة بروتونات وسبعة نيوترونات.

وتعتمد القدرة على اكتشاف هذه الإشارات أولاً وقبل كل شيء على القدرة على تحديد موقع الدوران نفسه؛ إذا كان هناك في المثال عدد مماثل من النوى ذات السبين المغزلي العلوي والنوى ذات السبين السفلي، فإن الاستقطاب الإجمالي سيكون صفرًا، وستلغي الإشارات بعضها البعض. ومع ذلك، نظرًا لأن اتجاه الدوران لأعلى يتطلب طاقة أقل قليلًا، فإن تعداد النوى الذرية لديه القليل من الدوران الزائد.

"تدعي وجهة النظر العلمية الحالية أن محاولة إجراء قياسات NMG باستخدام مجالات مغناطيسية صفرية أو ضعيفة هي فكرة سيئة، لأن الاستقطاب صغير، والقدرة على اكتشاف الإشارات هي سمة من سمات قوة المجال الخارجي المطبق."

"الناتج المحلي الإجمالي باستخدام المجالات المغناطيسية الصفرية أو الضعيفة يبدأ بثلاث خصائص تعمل ضده: الاستقطاب الصغير، والقدرة المنخفضة على الكشف، وغياب توقيع التحول الكيميائي"، يوضح الباحث الرئيسي. "ثم لماذا بذل جهد لذلك؟" يسأل أحد الباحثين. "الميزة الكبرى هي القدرة على التخلص من المغناطيسات الكبيرة والمكلفة اللازمة في الناتج المحلي الإجمالي العادي. إذا تمكنا من القيام بذلك، سيكون من الممكن تطوير جهاز NMG محمول وتقليل تكاليف تشغيله. أملنا هو أن تكون هناك القدرة على إجراء التحليل الكيميائي في الميدان - تحت الماء، وفي الآبار وفي البالونات - وربما حتى إجراء التشخيص الطبي بعيدًا عن المراكز الطبية المتقدمة.

يوضح الباحث الرئيسي: "اتضح أن هناك بالفعل طرقًا للتغلب على الاستقطاب الصغير والقدرة المنخفضة على الكشف". يمكن زيادة اتجاهية الدوران بعدة طرق، تسمى مجتمعة "الاستقطاب الزائد". إحدى طرق الاستقطاب الفائق لعينة غاز الهيدروجين هي تغيير النسبة بين هيدروجين شبه وهيدروجين أورثو الموجود فيها. مثل معظم الغازات، في درجة الحرارة والضغط الطبيعيين، يحتوي كل جزيء هيدروجين على ذرتين مرتبطتين معًا. إذا كانت نواة البروتون موجهة في نفس الاتجاه، فإن هذا النوع من الجسيمات يسمى أورثو هيدروجين. إذا كانت السبينات تشير إلى اتجاهين متعاكسين، فإن الجسيم يسمى شبه الهيدروجين. تؤدي حالات الدوران لاثنين من البروتونات والإلكترونات في جزيء الهيدروجين إلى ثلاث طرق يمكن من خلالها أن يصل الهيدروجين الأورثو إلى دوران يساوي 1؛ لا يمكن أن يكون لشبه الهيدروجين سوى دوران يساوي الصفر. تشكل جزيئات الهيدروجين الأورثو عادة ثلاثة أرباع غاز الهيدروجين والباقي هيدروجين. يمكن زيادة كمية شبه الهيدروجين إلى خمسين بالمائة أو حتى مائة عند درجات حرارة منخفضة جدًا، على الرغم من أنه يجب إضافة المحفز المناسب، وإلا فإن التحويل قد يستغرق أيامًا إن لم يكن أسابيع. بهذه الطريقة من الممكن الحصول على غاز الهيدروجين عالي الاستقطاب.

بالنسبة للمجالات المغناطيسية الضعيفة، تتطلب زيادة القدرة على الكشف نهجًا مختلفًا تمامًا - استخدام أجهزة كشف تسمى مقاييس المغناطيسية. على الرغم من أن هذه الكاشفات حساسة للغاية، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى التبريد إلى درجات حرارة منخفضة جدًا. تقيس مقاييس مغناطيسية الذرة الضوئية الذرة بأكملها، وليس النواة فقط. في هذه الطريقة، يتم قياس المجال المغناطيسي الخارجي عن طريق قياس دوران الذرات داخل غرفة بخار مقياس المغناطيسية، وعادة ما يكون غازًا مخففًا من فلز قلوي مثل البوتاسيوم أو الروبيديوم. يتأثر دورانها باستقطاب الذرات باستخدام شعاع الليزر. إذا كان هناك مجال خارجي، حتى لو كان ضعيفًا، فإنهم يبدأون في التذبذب. يقيس شعاع الليزر الثاني معدل التذبذبات وبالتالي يمكن تحديد قوة المجال الخارجي. وقد رفعت مجموعة البحث هذه الطريقة إلى مستوى عالٍ من خلال زيادة "وقت الاسترخاء" - وهو الوقت الذي يستغرقه الغاز المستقطب ليفقد قطبيته.

"بغض النظر عن مدى حساسية كاشفك أو مدى استقطاب عينتك - لا يمكن قياس المجموعات الكيميائية في مجال يساوي الصفر"، يوضح الباحث. "ومع ذلك، كانت هناك دائمًا إشارة أخرى في الناتج المحلي الإجمالي يمكن استخدامها للتحليل الكيميائي - إنها عادة ما تكون أضعف بكثير مقارنة بالتحولات الكيميائية، ويطلق عليها اسم J-coupling." يشير هذا الاقتران إلى التفاعل بين بروتونين (أو أي نواتين أخريين لهما دوران)، بوساطة إلكتروناتهما. ويمكن استخدام الترددات المميزة لهذه التفاعلات، والتي تظهر في طيف الرنين المغناطيسي النووي، لتحديد الزاوية بين الروابط الكيميائية والمسافات بين النوى. الإشارات التي تم الحصول عليها من هذا الاقتران محددة للغاية وقادرة على الإشارة إلى طبيعة التركيب الكيميائي المقاس.

في هذه المرحلة، قام الباحثون ببناء مقياس مغناطيسي فريد مصمم خصيصًا للكشف عن اقتران J في مجال مغناطيسي يساوي الصفر. يوضح الباحث: "الخطوة الأولى هي تقديم العينة شبه الهيدروجينية". "الجزء العلوي من النظام عبارة عن أنبوب اختبار يحتوي على محلول العينة الذي يتم وضع فقاعات الهيدروجين فيه." يوجد أسفل أنبوب الاختبار غرفة البخار القلوية لمقياس المغناطيسية، وحجمها أصغر من ظفر الإصبع. تحتوي الخلية على غاز الروبيديوم والهيدروجين، وهي محاطة بأسطوانة مصنوعة من سبيكة من الحديد والنيكل تعمل كدرع ضد المجالات المغناطيسية الخارجية.

على الرغم من أن جميع التجارب التي أجريت حتى الآن تم إجراؤها باستخدام جزيئات قابلة للهدرجة بسهولة، إلا أنه يمكن أيضًا توسيع هذه الطريقة لتشمل أنواعًا أخرى من الجزيئات. ويوضح الباحث الرئيسي: "نحن فقط في بداية تطوير الناتج القومي الإجمالي في مجال يساوي الصفر، وما زال من السابق لأوانه القول ما إذا كان بإمكاننا منافسة الناتج القومي الإجمالي في مجال مرتفع". ومع ذلك، فقد أثبتنا بالفعل أنه من الممكن الحصول على طيف واضح ومحدد للغاية باستخدام جهاز يسمح بإجراء تحليل كيميائي محمول ورخيص".

أخبار الدراسة