Sohár Pál

Kulcs a molekulaszerkezethez: mágneses magrezonancia- (NMR-) spektroszkópia

I. Az NMR-módszer fejlődésének története

Ha az NMR- (nuclear magnetic resonance - mágneses magrezonancia-) spektroszkópiát egy bolygórendszer középponti napjaként képzeljük el, harmadik bolygóként, újabb 15-20 év elteltével, a biológia csatlakozott a fizikához és a kémiához, a 80-as évek pedig meghozták a módszer behatolását az orvostudományok berkeibe is (animáció). Mára pedig nincs olyan tudományág, kutatási terület, ahol ne vennék hasznát valahogyan az NMR-módszernek.

Animáció: "NMR-naprendszer"

1. ábra

Animáció: A mindent elindító ötlet

Richard Wagner monumentális zenedráma-tetralógiájának előestjében, a Rajna kincsében Alberich, az alvilág fejedelme a Tarnkappe, a ködsüveg segítségével előbb óriási sárkánnyá, majd csöppnyi békává változik. A ködsüveg képes rá, hogy gazdáját bármilyen alakká varázsolja, és szemvillanásnyi idő alatt bárhová elröpítse. Kiderült, hogy az NMR-spektrum hasonló varázseszköz, "ködsüveg", amely a molekulák méretére "zsugorítja" a megfigyelőt, aki így betekintést nyerhet a molekulák világába, megismerheti szerkezetüket, téralkatukat, tulajdonságaikat és viselkedésüket. Az atommag spinje, mágneses momentuma parányi iránytű, eredeti és átvitt értelemben egyaránt: vektor, amelynek irányát megszabja az őt körülvevő mágneses tér, tulajdonságai és viselkedése pedig eligazít, kalauzol bennünket a molekulák - ahogy a ma divatos szakzsargon diktálja mondanunk - nanovilágában.

A Pauli-Denisson-feltevések bizonyítására olyan kísérletek látszottak alkalmasnak, amelyekben mágneses tér jelenlétében különböző frekvenciájú elektromágneses sugárzást bocsátunk atommagokra, s azt észleljük, hogy a vizsgált magfajta csak egyetlen meghatározott frekvenciakomponenst képes elnyelni: azaz rezonanciaszerű az energiafelvétel (animáció). Mivel a mágneses momentum anyagi jellemző, minden egyes atommag, minden izotóp adott mágneses térben csak egyetlen frekvenciakomponenst nyel el. Más térerőben más frekvenciakomponens abszorpciója következik be, ugyancsak rezonanciaszerűen. Egy amerikai fizikus, Gorter két évtizeden át folytatott sikertelen kutatásokat, hogy a rezonanciát megvalósítsa. A kvantumfizikusok már-már minden reményt feladtak, s halottnak vélték az NMR-t, mielőtt még megszületett volna. Egy másik amerikai fizikus, Rabi és munkatársai viszont valamivel később, 1939-ben atomsugarakkal végzett kísérletekkel kimérték a több atommag mágneses momentumának nagyságát megszabó ún. giromágneses hányadost, igazolva Pauli feltrvését az atommagok mágneses momentumáról. E téren magyarokat találhatunk a nemzetközi kutatások frontvonalában: Hazai fizikusok egy csoportja Simonyi Károly vezetésével a mai KFKI elődjében röviddel Rabiék után néhány további atommagra is megmérték a gamma giromágneses tényezőt. A rezonanciajelenség kimutatása azonban ekkor még váratott magára.

Animáció: NMR az elméleti fizika vonzáskörében

2. ábra

⁷

3. ábra

Mindez azonban a kvantumfizikusok csekély érdeklődést keltő "belügye" maradt volna, ha 1949-50-ben nem ismerik fel a kémiai eltolódás jelenségét, hogy ti. az NMR-spektrumjelek frekvenciája - bár csak kis mértékben - a kémiai környezettől, azaz a molekulaszerkezettől függ, tehát a dolog fordítva is igaz: az NMR-spektrumból következtetni lehet a molekulák, vegyületek kémiai szerkezetére. Vagyis az "adott mag, egyetlen rezonanciafrekvencia"-elv csak a molekuláris környezetből kiemelt, elektronjaitól megfosztott, "csupasz" atommagokra igaz, a magot körülvevő elektronok kis mértékben megváltoztatják a mag körüli mágneses teret, s ezzel a rezonanciafrekvenciáját (3. ábra). E jelenségnek köszönhetően a kémia felfedezi a maga számára az NMR-módszert, mely rövidesen s egyre fokozódó mértékben a kémiai szerkezetkutatás legfontosabb eszközévé válik. Mára már nélkülözhetetlen a kémiai iparban, például a gyógyszerek, műanyagok, szerkezeti anyagok fejlesztésében, vizsgálatában. A fizikusok eredetileg kizárólag kvantumelméleti hipotézisek igazolására végeztek NMR-kísérleteket, gyakorlati alkalmazásokra senki sem gondolt. E teljesen elvont, ma úgy mondanánk, tisztán alapkutatásokból nőtt ki napjaink legszélesebb körben hasznosítható műszeres vizsgálati módszere!

Nézőink véleményét megkérdeztük arról, vajon mely tudományágak alkalmazzák manapság az NMR-spektroszkópiát? A válaszadók zöme (98%-a) helyesen gondolta, hogy a kémiai- és az orvostudományok egyaránt használják ezt a módszert.