: 7 июн 2011 , Без страха и упрека , том 38, №2

ЯМР: раздвигая границы возможного

Одним из ведущих спектроскопических методов в химии является ядерный магнитный резонанс. ЯМР-спектроскопия растворов широко применяется при исследовании динамических процессов, включая разнообразные химические и биохимические реакции, конформационные превращения биомолекул, процессы формирования третичной структуры белков, взаимодействие биомакромолекул с другими молекулами и др. За развитие методов ЯМР для определения трехмерной структуры биомакромолекул в жидкости присуждена Нобелевская премия по химии (Курт Вютрих, 2002). ЯМР твердого тела нашел широкое применение при исследовании состава и структуры различных материалов, их физико-химических превращений, химических реакций на поверхности гетерогенных катализаторов и многого другого. Такой раздел ЯМР, как магнитно-резонансная томография, позволяет неразрушающим и безвредным образом изучать морфологию и свойства живых объектов и протекающие в них сложные биопроцессы, включая течение крови, развитие различных патологий тканей, функциональную активность головного мозга и т. п.

Чтобы подчеркнуть полную безопасность исследования для пациентов, ЯМР-томографии пришлось потерять в своем названии букву «Я» и называться «МРТ». За создание метода МРТ Нобелевская премия была присуждена по физиологии/медицине (Пол Лаутербур и сэр Питер Мансфилд, 2003).

Однако существуют факторы, которые сдерживают более широкое развитие и применение ЯМР в науке и практике. К ним относятся высокая стоимость современного оборудования, необходимость размещения объекта исследования в буквальном смысле внутри прибора и ряд других факторов. В результате современные приборы для ЯМР и МРТ практически невозможно использовать, например, в условиях промышленного производства.

Тем не менее потенциал применения ЯМР на производстве весьма велик. Заманчивой является возможность определения химического состава различных смесей с непрерывным отбором проб из реактора или даже непосредственно внутри технологического трубопровода; свойств полимеров и эластомеров в условиях технологической линии; степени гидратации бетонных изделий и т. п. К сожалению, многие материалы технологических линий и процессов делают их несовместимыми с исследованиями методом ЯМР.

В частности, высокочастотное электромагнитное поле почти не проникает внутрь проводников, что не позволяет получать сигнал ЯМР от веществ в металлических контейнерах и трубопроводах. Значительные количества ионов железа в обычном цементе и различных парамагнитных ионов в горных породах негативным образом отражаются на величине регистрируемого сигнала.

Таким образом, лишь условия лаборатории (клиники) являются оптимальными для работы современных ЯМР-спектрометров и томографов, а за их пределами они, на первый взгляд, оказываются практически бесполезными. К счастью, это не так.

Непривычный ЯМР

В последние годы в ЯМР наметился ряд новых тенденций, направленных на преодоление имеющихся ограничений. Примечательно, что порой это приводит к опровержению некоторых «непреложных истин». Так, в традиционном ЯМР дорогостоящий прибор в некотором смысле является «центром вселенной», вокруг которого «вращаются» и которому подчиняются объекты исследования. И если объект или процесс по характеристикам (форме, размеру, составу, температуре, давлению и т. п.) не удается вписать в условия, диктуемые прибором, то его исследование методом ЯМР невозможно.

Создание открытых и мобильных систем для ЯМР и МРТ привело в некотором смысле к смене основной парадигмы, в результате чего в центре оказался объект исследования. Для решения широкого спектра задач за пределами исследовательской лаборатории в большин­стве случаев приходится отказаться от использования высокопольных сверхпроводящих магнитов. Исполь­зование постоянных магнитов позволяет создавать относительно недорогие специализированные устройства, предназначенные для исследования конкретного объекта и оптимизированные для решения той или иной конкретной задачи. Сегодня достигнут значительный прогресс на пути создания переносных (до 10—20 кг) и мобильных (несколько десятков кг) систем.

Другая важная концепция – «ЯМР наизнанку» – позволяет отказаться от необходимости размещения объекта исследования внутри датчика (магнита). Для этого применяются магниты и радиочастотные катушки, которые создают соответствующую чувствительную область хоть и вблизи устройства, но за его пределами. Отказ от использования сверхвысоких полей, на первый взгляд, противоречит присущему ЯМР стремлению во все более высокие поля для повышения чувствительности и спектрального разрешения, однако преимущества, связанные с мобильностью устройства и отсутствием ограничений на размер и форму исследуемого объекта, могут в ряде случаев оказаться куда важнее.

Двигателем прогресса в области «ЯМР наизнанку» стали нефтедобыча и нефтеразведка. Именно для ЯМР-каротажа нефтяных скважин впервые было создано устройство, опускаемое в буровую скважину на глубину до 10 км для изучения наличия и свойств жидкой фазы (нефти и воды) в породе, характеристик порового пространства стенок скважины и взаимодействия жидкости с поверхностью пор.

На основе этой концепции создан также и ЯМР-эндоскоп, который имеет внешний диаметр 1,7 мм (!) и может вводиться в крупные сосуды человека для диагностики их состояния.

Одной из наиболее успешных разработок мобильного ЯМР стала ЯМР-мышь – портативный датчик, первоначально предназначавшийся для исследования свойств резинотехнических изделий. С его помощью можно определять состояние покрышки автомобиля без демонтажа колеса, степень поперечного сшивания цепей полимера, исследовать процессы вулканизации, старения полимеров и их набухания в растворителе.

ЯМР-мышь характеризуется значительной неоднородностью приложенного постоянного магнитного поля, что в традиционном ЯМР считается большим недостатком. Однако именно большой градиент магнитного поля устройства позволяет исследовать такие нетрадиционные объекты, как армированные стальным кордом покрышки, железобетонные конструкции, конвейерные ленты и т. п. Ведь многие исследования невозможно выполнить с использованием традиционного ЯМР в однородном поле – изучить, скажем, состояние знаменитой Моны Лизы, так как для этого потребуется отделить от объекта исследования небольшой фрагмент. Бесконтактные измерения с помощью устройств типа ЯМР-мышь переводят такие исследования в разряд возможных.

Игра на магнитном поле

Обычно для получения высокого спектрального разрешения в ЯМР-спектроскопии требуется максимально однородное магнитное поле. Таким образом, может показаться, что устройства типа ЯМР-мышь с однородностью поля в десятки и сотни миллионных долей неприменимы для ЯМР-спектроскопии. Но и это препятствие преодолимо, причем как за счет создания устройств с более однородными магнитными полями, так и за счет развития и применения новых методов регистрации сигнала в существенно неоднородных магнитных полях. Поэтому в настоящее время развитие методов спектроскопии ЯМР в неоднородных магнитных полях занимает важное место в магнитном резонансе.

Достижения современного ЯМР способны обеспечить приемлемую чувствительность даже в слабых и сверхслабых магнитных полях, включая ЯМР в магнитном поле Земли (0,00005 Тл). Именно на пути в слабые и сверхслабые магнитные поля специалистов поджидал один из сюрпризов. До недавнего времени считалось, что такие поля бесполезны для спектроскопических приложений ЯМР. Действительно, различия в химических сдвигах ядер в низких полях наблюдать не удается. Но было экспериментально установлено, что спин-спиновые взаимодействия ядер обеспечивают достаточное количество спектральной информации для интерпретации спектров ЯМР, регистрируемых в полях порядка 0,01 Тл.

Развитие приложений в слабых полях позволяет преодолеть и еще одно ограничение ЯМР, казавшееся незыблемым, а именно невозможность регистрации сигнала ЯМР от объекта, заключенного в металлический контейнер.

Спиновые долгожители

При нормальных условиях для протонов в жидкости времена ядерной спиновой релаксации обычно лежат в секундном диапазоне. Это означает, что спиновая система полностью «забывает» о любом внешнем воздействии через несколько секунд. Однако многие современные ЯМР и МРТ эксперименты построены на том, что регистрация сигнала происходит не сразу, а спустя определенное время после исходного возбуждения спиновой системы. Из-за «забывчиво­сти» спиновой системы не удается измерять низкие скорости течения жидкостей и газов, малые коэффициенты диффузии молекул, слабые межспиновые взаимодействия и многое другое. И до недавнего времени казалось, что это серьезное ограничение обойти уж точно невозможно.

Неожиданный, но приятный сюрприз нашелся и здесь. Оказалось, что даже в жидкости при нормальных условиях спиновая система может «помнить» о своей предыстории многократно дольше, чем это диктуется временами релаксации ядерных спинов. Это связано с существованием так называемых «долгоживущих состояний» спиновых систем, времена жизни которых могут превышать времена обычной релаксации на порядок и более.

Надо сказать, что в настоящее время удивление вызывает не сам факт существования таких состояний, а то, каким же образом сообществу специалистов в области ЯМР удавалось не замечать этого на протяжении многих лет. Ведь объяснение природы таких состояний достаточно очевидно: это ядерные спиновые состояния групп эквивалентных атомов с нулевым полным суммарным спином. А если нет спина, то нет и ядерной спиновой релаксации.

В результате время жизни такого состояния может на порядки превышать времена спиновой релаксации, что можно использовать для значительного расширения применимости ЯМР к исследованию медленных физических и химических процессов. Однако не все так просто, поскольку состояние с нулевым спином не регистрируется в ЯМР-эксперименте. Трюк состоит в том, чтобы на время приложения импульсной последовательности и на время регистрации сигнала сделать ядра неэквивалентными, а в промежутке между различными интервалами эволюции спиновой системы эту эквивалентность восстановить.

Такая операция возможна благодаря, например, воздействию постоянного и переменного магнитных полей, обратимых химических превращений и др. Интересные примеры использования долгоживущих состояний включают исследование медленных диффузионных процессов и динамики медленных химических превращений. Однако это лишь первые шаги, и научное сообщество ожидают новые достижения и сюрпризы.

Параводородный усилитель

Другим примером долгоживущего спинового состояния является параводород – ядерный спиновый изомер молекулы Н2 с нулевым суммарным спином. Для использования особых свойств параводорода также необходимо сделать два атома водорода неэквивалентными. Так, еще в 1987 г. было показано, что использование параводорода в гомогенных каталитических реакциях гидрирования непредельных соединений приводит к значительному усилению сигнала ЯМР в продуктах реакции – так называемой индуцированной параводородом поляризации ядер (ИППЯ). Это усиление может составлять порядка 10 000 в магнитных полях современных ЯМР-спектрометров.

Такое огромное усиление сигнала значительно расширяет возможности применения ЯМР в гомогенном катализе, позволяя более детально исследовать механизмы гомогенных каталитических процессов, регистрировать методом ЯМР короткоживущие промежуточные состояния и т. п. Более того, усиление сигнала ЯМР на несколько порядков имеет серьезные последствия и для МРТ. Так, в настоящее время ведутся работы по исследованию методами ЯМР/МРТ процессов метаболизма in vivo, когда введенное в живой организм поляризованное вещество претерпевает в организме биохимические превращения, позволяя усиливать сигнал ЯМР продуктов этих превращений. Для этих же целей используются и другие методы гиперполяризации ядерных спинов.

В то же время в гетерогенных каталитических процессах получение ИППЯ до недавнего времени считалось невозможным, поскольку гетерогенным катализаторам промышленного гидрирования присущ совершенно иной механизм реакции, который, казалось, не дает шансов для наблюдения ИППЯ. Однако и на этом направлении у «невозможного» удалось отбить новые территории для научных исследований и практических приложений магнитного резонанса. Оказалось, что для ряда гетерогенных катализаторов гидрирования можно наблюдать усиление сигнала ЯМР продукта при использовании в реакции параводорода.

Этот примечательный факт делает возможным создание новых высокочувствительных методов ЯМР для каталитических исследований, а также создание высокоэффективных процессов для получения гиперполяризованных чистых жидкостей и газов, на основе которых можно развивать новейшие биомедицинские и технические приложения метода ЯМР/МРТ. Развитие методов гиперполяризации ядерных спинов имеет особую актуальность в контексте упомянутых выше исследований и приложений в слабых и сверхслабых магнитных полях, где вопросы чувствительности имеют первоочередное значение, а получаемые коэффициенты усиления сигнала еще выше.

Итак, магнитный резонанс преодолел очередной виток спирали своего развития. В результате мы получили возможность регистрировать в слабых и неоднородных магнитных полях спектры примерно такого же качества, которое в ЯМР высокого разрешения было доступно сорок лет назад. Возникает вопрос: а является ли такое «развитие» движением вперед? Без сомнения, да. Технологии и методики постоянно совершенствуются, и еще через некоторое время качество спектров в низких и неоднородных полях приблизится к тому, которое доступно сегодня при использовании высокопольных спектрометров ЯМР.

Однако наиболее важным аспектом здесь является то, что делается это отнюдь не как альтернатива высокопольной ЯМР-спектроскопии и томографии, а как развитие метода с целью его распространения на огромный круг существенно иных задач, которые по-прежнему не могут быть решены с помощью суперсовременного и супердорогого высокопольного оборудования. В результате такой диверсификации направлений развития метода ЯМР и доступных приложений границы возможного в магнитном резонансе удалось существенно раздвинуть. И это еще далеко не предел.

Литература

Blumich B., Perlo J., Casanova F. Mobile single-sided NMR // Progr. NMR Spectr. 2008. 52. P. 197—269.

Blumich B., Anferova S., Kremer K., et al. Unilateral NMR for quality control: The NMR-MOUSE // Spectroscopy. 2003. 18. P. 18—32.

Bluimch B., Casanova F., Appelt S. NMR at low magnetic fields // Chem. Phys. Lett. 2009. 477. P. 231—240.

Blumich B., Casanova F., Dabrowski M., et al. Small-scale instrumentation for nuclear magnetic resonance of porous media // New J. Phys. 2011. 13. 015003.

Kleinberg R. L., Sezginer A., Griffin D. D., Fukuhara M. Novel NMR apparatus for investigating an external sample // J. Magn. Reson., 1992. 97. P. 466—485.

Koptyug I. V., Kovtunov K. V., Burt S. R., Anwar M. S., et al. Para-Hydrogen-induced polarization in heterogeneous hydrogenation reactions // J. Amer. Chem. Soc. 2007. 129. P. 5580—5586.

Kovtunov K. V., Beck I. E., Bukhtiyarov V. I., Koptyug I. V. Observation of parahydrogen-induced polarization in heterogeneous hydrogenation on supported metal catalysts // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. 47. P. 1492—1495.

Pileio G., Carravetta M., Hughes E., Levitt M. H. The long-lived nuclear singlet state of 15N-nitrous oxide in solution // J. Amer. Chem. Soc. 2008. 130. P. 12582—12583.

Sarkar R., Vasos P. R., Bodenhausen G. Singlet-state exchange NMR spectroscopy for the study of very slow dynamic processes // J. Amer. Chem. Soc. 2007. 129. P. 328—334.

Warren W. S., Jenista E., Branca R. T., Chen X. Increasing hyperpolarized spin lifetimes through true singlet eigenstates // Science. 2009. 323. P. 1711—1714.

Редакция благодарит к. х. н. Н. И. Сорокина и к. г.-м. н. В. Д. Ермикова за помощь в подготовке материалов статьи

: 7 июн 2011 , Без страха и упрека , том 38, №2