Sohár Pál

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

III. A többdimenziós NMR-korszak

Rendkívüli jelentőségű az NMR-spektrumok hőmérséklet-függésének felismerése. Ezt nevezzük dinamikus NMR-mérésnek, amely betekintést enged a mozgó molekulák világába. Az NMR a molekuladinamika unikális eszköze. Az NMR tehát sorra feltárta a kémiai szerkezet addig csak sejtett vagy még csak nem is gyanított finomságait. A kémiai eltolódás rámutatott ugyanazon atom molekulán belüli sokféle lehetséges környezetének létére, és ezek megkülönböztetésének lehetőségeire, a spin-spin csatolás háromdimenziósra tágította a molekulaszerkezet fogalmát, a 3D NMR életet lehelt az addig merevnek hitt, mozdulatlanságra kárhoztatott molekulákba: a molekulák életre keltek! E sorozatos felfedezések egyre tágították az NMR alkalmazásának perspektíváit, a módszer újra és újra diadalt aratott, rendre az érdeklődés gyújtópontjába került.

A 70-es években a nagy számítógépeknek és a szupravezető mágneseknek, illetve a PFT-technikának (pulzus Fourier transzformációs mérési technika) köszönhetően óriási adathalmazok gyors és rendkívül érzékeny vizsgálata vált lehetővé: beköszöntött a multinukleáris, multidimenziós NMR-korszak. A folyékony hélium hőmérsékletén, az abszolút zérus fok közelében működő szupravezető mágnesekkel a kezdetben használt permanens mágnesekénél több mint egy nagyságrenddel erősebb mágneses terek állíthatók elő, s ma már a kommersz, sorozatgyártású műszerek is a GHz-es térerősséget közelítik. E műszerkolosszusok méretei és beszerzési, illetve üzemben tartási költségei is arányosak teljesítőképességükkel. A Bruker cég 900 MHz-es spektrométere jelenleg már kommersz készülékként is kapható (8. ábra). A csúcsteljesítményű számítógépek óriási adathalmazok igen gyors tárolását és feldolgozását teszik lehetővé. A pulzustechnikával pedig a spinek valósággal táncra pördíthetők, a mérést végző kutató olyan koreográfiát írhat elő számukra, amely igen sok új s újfajta információ birtokába juttatja. A pulzus Fourier transzformációs mérési technika új gerjesztési eljárást jelent, amellyel az atommagokat a hagyományos, folyamatosan ható elektromágneses terek helyett egy nagyon rövid ideig, néhány mikroszekundumig tartó, de igen nagy energiájú rádiófrekvenciás sugárzással gerjesztik, azaz viszik alapállapotból magasabb energiájú mágneses kvantumállapotba. A Fourier-transzformáció olyan matematikai módszer, amellyel egymással kapcsolatban álló fizikai paraméterek alakíthatók egymásba, s ugyanazon mérési adatok más-más célokra a legalkalmasabb formába vihetők át (pl. az érzékenység rovására a felbontás, a jelszeparáció javítható és vice versa, a gyengébb felbontás árán az érzékenység, a jel-zaj viszony, azaz a jelintenzitás növelhető). Ennél is fontosabb azonban, hogy a mérésidő több nagyságrenddel lerövidíthető, s az időnyereség a mérés sokszori ismétlésére, majd az így nyert adattömeg átlagolására fordítható Fourier-transzformáció segítségével, ami az érzékenység igen jelentős javítását teszi lehetővé. A PFT-módszer elméleti alapjainak kidolgozásáért kapott Ernst svájci kutató 1993-ban Nobel-díjat (9. ábra). A PFT-technika felhasználásával egyebek között lehetővé válik a molekula topológiai leírása: kémiai kötésről kötésre haladva megállapítható bonyolult szerkezetekben az atomok, atomcsoportok kapcsolódásának sorrendje.

8. ábra

9. ábra

123313

Animáció: Diels-Alder-reakció

10. ábra

143256-968