| |
Marek Jasanský: Nová technologie využití nukleární magnetické rezonance
Fyzici z Kalifornského institutu technologie objevili novou metodu použití nukleární
magnetické rezonance (NMR). Tato nová metoda, známá jako BOOMERANG (Better
Observation Of Magnetisation, Enhanced Resolution And No Gradient; vylepšené pozorování magnetizace, vyšší
rozlišení a nulový gradient), umožňuje zobrazit kapaliny stejně dobře jako pevné látky a
mohla by vést i k vývoji přenosného přístroje pro detekci částic využívajícího NMR.
|
Spin – vlastní rotační moment částice. Přirozeným způsobem
se skládá s momentem hybnosti. Každá částice s nenulovým spinem se chová
jako malý magnetický dipól μ, který reaguje na vnější magnetická pole. Původ
spinu je v symetrii rovnic
vzhledem k Lorentzově transformaci.
Magnetická spinová rezonance – elementární magnetické dipóly vzorku
(spiny) interagují s vnějším magnetickým polem. Tuto kvantovou interakci si můžeme
představit jako precesi elementárních dipólů kolem magnetických silokřivek.
Precesní kužel může být díky zákonům kvantové teorie rozevřen jen v určitých úhlech
(projekce spinu do osy pole má jen některé hodnoty). Prochází-li
soustavou elektromagnetická vlna vhodné rezonanční frekvence, může
rezonanční záchyt fotonu způsobit rozevření precesního kužele. Po nějaké
době je foton znovu vyzářen a kužel se opět zúží. Vyzářené fotony nesou
informaci o struktuře vzorku.
NMR (nukleární magnetická rezonance) – magnetická spinová
rezonance na spinech neutronů a protonů atomových jader.
Rezonanční frekvence je úměrná vnějšímu magnetickému poli s koeficientem
úměrnosti 0,76 kHz/T.
EMR (elektronová magnetická rezonance) – magnetická spinová
rezonance na spinech elektronů v atomárních obalech.
Rezonanční frekvence je úměrná vnějšímu magnetickému poli s koeficientem
úměrnosti 1,44 MHz/T.
|
Současné přístroje pro NMR
V běžných přístrojích využívajících nukleární magnetickou rezonanci je vzorek zkoumané
látky umístěn do vnějšího magnetického pole, které srovná spiny všech jader vzorku do
směru pole. Vzorek je pak vystavován elektromagnetickým pulsům v radiovém oboru, které způsobí, že spiny
začnou vykonávat precesní pohyb. Vrcholový úhel precesního kužele může nabývat
jen některých hodnot. Po určité době se spiny začnou vracet zpět do
uspořádané polohy, což je provázeno vyzařováním elektromagnetických vln, jejichž
frekvence odpovídá změně energie mezi dvěma sousedními precesními kužely. Měřením těchto vln
lze zjistit počet atomárních jader a určit strukturu vzorku.
Princip zařízení BOOMERANG
Zařízení
BOOMERANG měří místo radiových vln silové účinky magnetického pole. Využívá k tomu
homogenní magnetické pole, zatímco mnoho jiných metod NMR se spoléhá na pole
nehomogenní.
Zobrazování kapalin běžnými technikami NMR je obtížné, protože vlivem gradientu
pole
může docházet k difúzi molekul s magnetickým momentem. Daniel Weitenkamp, který na
projektu BOOMERANG pracuje, říká, že problémy způsobené difúzí molekul v kapalině se při
použití nové metody téměř neprojeví.
Schéma přístroje BOOMERANG. Přístroj se používá pro detekci
částic pomocí nukleární magnetické rezonance.
Zdroj: Proc. Nat. Acad. Sci. 101 12804.
Podívejme se nyní na obrázek. Homogenní magnetické pole je tvořeno dvěma permanentními magnety (P),
které zmagnetují dvojici prstencových (R) a detekčních (D) magnetů.
Jediným narušením homogenity pole v blízkosti vzorku (A) je mezera mezi
detekčním a prstencovým magnetem. Vzorek (A), ať už se jedná o pevnou látku nebo o kapalinu, má kulový tvar a leží
uvnitř cívky (C), která vytváří elektromagnetické pulsy v radiovém
oboru. Po ozáření rádiovým impulsem začnou jaderné spiny
ve vzorku precedovat kolem magnetických silokřivek a výsledné magnetické
pole způsobí posun detekčního magnetu oproti magnetu prstencovému. Velikost výchylky je
přenesena na destičku z monokrystalu křemíku (O) pevně spojenou s detekčním
magnetem. Monokrystal funguje jako mechanický rezonátor na frekvenci 450 Hz,
který se rozkmitá vlivem cyklických změn magnetizace vzorku daných precesním
pohybem spinů. Pohyb monokrystalu je zjišťován interferometrem s optickým vláknem (F). Ve výřezu jsou znázorněny síly způsobující výchylku
detekčního magnetu. Vektor M označuje směr magnetizace v celé soustavě
magnetů. Pole uvnitř vzorku je přibližně homogenní s indukcí
0,65 T.
Další vývoj
Technika BOOMERANG může být snadno vylepšena pro zkoumání vzorků o rozměrech mikro a nanometrů.
Díky tomu ji pak budeme moci využít například pro zkoumání buněk živých
organismů nebo pro zobrazení různých struktur vyráběných nanotechnologiemi. V Kalifornském
technickém institutu nyní probíhají práce týkající se zvýšení přesnosti měření a zmenšení zkoumaného
vzorku.
Odkazy
|
|
