Jak řídit jaderný kompas?

Nukleární magnetická rezonance (NMR) je nepostradatelný nástroj pro studium látek všech skupenství. Propojuje v sobě fyziku, elektrotechniku, kvantovou mechaniku, datovou analýzu, chemii a čím dám tím více také biologii a lékařství. V poslední době začíná přibývat prací spojujících NMR a numerické simulace. Ty především v NMR pevné fáze pomáhají vysvětlit chování komplexních systémů jaderných spinů, a jak popisujeme v tomto článku, usnadňují také návrh nových, ještě citlivějších technik.

Řada částic v kvantovém světě má kromě elektrického náboje a hmotnosti ještě jednu zásadní vlastnost: spin. Ten se u částic projevuje, jsou-li umístěny do magnetického pole. V takovém případě můžeme částice odlišit podle orientace jejich spinu vzhledem k magnetickému poli. Této vlastnosti si na příkladu elektronu v atomu stříbra povšimli Otto Stern s Waltherem Gerlachem již v roce 1922 ve známém experimentu, v němž se proud částic rozdělí podle orientace spinu do dvou různých směrů [1]. Dva možné pozorované stavy, spin orientovaný ve směru magnetického pole (stav ↑) a spin orientovaný opačně (stav ↓), se od sebe liší energií. Ten energeticky výhodnější je také o něco častější.

A. spektrometr NMR se skládá ze supravodivého magnetu chlazeného kapalným heliem (viz také obr. 7). Další částí je konzole generující velmi přesné elektrické pulzy následně zesílené kvalitními zesilovači na výkon desítek až stovek wattů. Tyto pulzy jsou v cívce měřicí sondy přeměněny na radiofrekvenční pole působící na vzorek. Získaný signál je pomocí duplexeru časově oddělen od pulzů, zesílen a v detektoru převeden na digitální záznam. Celý spektrometr se tak vlastně podobá velmi přesnému rádiovému vysílači a přijímači pracujícímu v extrémním magnetickém poli.

B. Pro NMR v pevné fázi je vzorek zabalen do malých válcovitých „rotorků“ (viz také obr. 5), které se rychle otáčejí uvnitř měřicí cívky nakloněné pod tzv. magickým úhlem vzhledem k poli supravodivého magnetu. Tato technika umožňuje zprůměrovat interakce podobně jako při volném pohybu molekul v roztoku.

C. Většina prvků má alespoň jeden izotop NMR aktivní, a tedy měřitelný. Na obrázku jsou ukázány některé z těch nejvýznamnějších v pozicích odpovídajících energetickému rozdílu hladin v poli přibližně 19 tesel.

D. NMR -spektrum uhlíku ¹³C pro aminokyselinu glycin změřené ve vodném roztoku a v práškovém vzorku v pevném skupenství. Díky rotaci pod magickým úhlem se široké a nerozlišené spektrum statického vzorku nejprve rozloží na řadu ostrých signálů a poté, při ještě větší rychlosti, dostaneme spektrum s úzkými signály velmi podobnými těm v roztoku. Jednotkou na ose x je zde jedna miliontina (ppm) rezonanční frekvence signálu vhodně zvolené referenční molekuly ve stejném magnetickém poli.

Ilustrance Jan Blahut

Daleko méně známé je, že vlastní spin mají také mnohá atomová jádra, i když jeho velikost je o necelé tři řády nižší. I u jader se v silném magnetickém poli projeví větší populace spinů orientovaných v souladu s magnetickým polem, vzorek se zmagnetuje, indukuje se makroskopický magnetický dipól. Takovýto jaderný magnet (popsaný tzv. vektorem magnetizace) se však zároveň chová jako dětská káča (respektive gyroskop) a po vychýlení (excitaci) z rovnováhy rotuje kolem osy vnějšího pole stejně jako osa nakloněné roztočené káči. Frekvence rotace odpovídá energetickému rozdílu mezi stavy ↑ a ↓. S magnetizací můžeme manipulovat pomocí elektromagnetických pulzů (v radiofrekvenční oblasti spektra) a také můžeme snímat její otáčení pomocí magnetické indukce (princip alternátoru v elektrárnách – otáčející se magnet indukuje měřitelný elektrický proud v cívce). Spektroskopické technice práce s jaderným spinem se říká nukleární (nebo jaderná) magnetická rezonance (NMR, Nuclear Magnetic Resonance) nebo přesněji pulzní NMR.

Energetické rozdíly, a tedy i pozorovaná frekvence signálu závisejí především na magnetickém poli a povaze izotopu, který zkoumáme. Ze stabilních izotopů má největší energetický „rozštěp“ v magnetickém poli jádro vodíku 1H. Jeho frekvence odpovídá v běžně používaných magnetických polích zhruba frekvenci pozemního televizního vysílání.