Mára pedig nincs olyan tudományág, kutatási terület, ahol ne vennék hasznát valahogyan az NMR (nuclear magnetic resonance – mágneses magrezonancia) módszernek. Pauli 1924-ben közzétett munkájában elektronszínképek finomszerkezetéből arra a következtetésre jutott, hogy az atommagnak mágneses momentuma, „spinje” kell hogy legyen. E zseniális ötletből fejlődött ki az új tudományág, az NMR-spektroszkópia. Denisson egy további feltevéssel toldotta meg a Pauliét, hogy tudniillik a magmomentum kvantált: az atommagnak különböző mágneses energiaállapotai vannak, s ezek között energia elnyeletésével átmenetek hozhatók létre. A megfelelő energiaelnyelési maximumok alkotják az NMR-spektrumot.
Az NMR-spektrum szinte varázseszköz, amely a molekulák méretére „zsugorítja” a megfigyelőt, aki így betekintést nyerhet a molekulák világába, megismerheti szerkezetüket, téralkatukat, tulajdonságaikat és viselkedésüket. Az atommag spinje parányi iránytű: vektor, amelynek irányát megszabja az őt körülvevő mágneses tér, tulajdonságai és viselkedése pedig eligazít, kalauzol bennünket a molekulák nanovilágában.
Pauli és Denisson feltevésének 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. 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 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 úgynevezett giromágneses hányadost, igazolva Pauli feltevését az atommagok mágneses momentumáról. E téren magyarokat találhatunk a nemzetközi kutatások frontvonalában: hazai fizikusok egy csoportja Simonyi Károly vezetésével a mai Központi Fizikai Kutatóintézet (KFKI) elődjében röviddel Rabiék után néhány további atommagra is megmérték a g giromágneses tényezőt. A rezonanciajelenség kimutatása azonban ekkor még váratott magára.
Régi igazság: minden rosszban van valami jó is. Az alapkutatásnak segített a politika és a háború: a negyvenes években a hadi célú radarkutatásokra fordított hatalmas összegekből jutott valamennyi az NMR-alapkutatásokra is. A légitámadások elől az óvóhelyekre szorultak a kutatók, ott pedig fennállt a sikeres NMR-kísérletek legfontosabb feltétele: a temperált labor, sok évvel a légkondicionálás megoldása előtt. E szerencsés körülményeknek is köszönhetően 1945-ben Bloch a Stanfordon és Purcell a Harvardon munkatársaikkal végrehajtották az első sikeres magrezonancia-kísérleteket. A siker legfőbb oka azonban a rezonáló atommag szerencsés kiválasztása volt: Blochék a vízmolekula, Purcellék a paraffin hidrogénjein mutatták ki a rezonanciát, s később kiderült, hogy a hidrogénatommag a legérzékenyebb magfajta, a legtöbb más magnál több nagyságrenddel érzékenyebb az NMR-kísérletben. Az első sikeres rezonanciakísérletekért járó babérokat Bloch és Purcell aratta le, s 1952-ben mindketten fizikai Nobel-díjat kaptak.
Újabb fontos felismerés következett 1949–50-ben: az NMR-spektrumból következtetni lehet a molekulák, vegyületek kémiai szerkezetére. Vagyis az „adott mag, egyetlen rezonanciafrekvencia” elve csak a molekuláris környezetből kiemelt, elektronjaitól megfosztott, „csupasz” atommagokra igaz, a magot körülvevő elektronok kismértékben megváltoztatják a mag körüli mágneses teret s ezzel a rezonanciafrekvenciáját. E jelenségnek köszönhetően a kémia felfedezte a maga számára az NMR-módszert, amely rövidesen s egyre fokozódó mértékben a kémiai szerkezetkutatás legfontosabb eszközévé vált. 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!
A méréstechnika tökéletesedésével, a kémiai eltolódás felfedezését követően, hamarosan kiderült, hogy az NMR-spektrumnak finomszerkezete van, amit a spinek kölcsönhatásával, úgynevezett csatolásával magyarázhatunk. A csatolás igen érzékeny a kölcsönható spinek kölcsönös térbeli helyzetére, a molekula háromdimenziós szerkezetére. A spinek sokasága parányi „bolygórendszerként” viselkedik, és a spin-spin csatolásokat megismerve feltárul előttünk a molekulák háromdimenziós térszerkezete. A csatolásoknak köszönhetően az NMR a sztereokémiai kutatások legfontosabb eszközévé vált. A természet csodás rendjének egyik lenyűgöző megnyilvánulása, hogy a parányi spinek és a gigantikus naprendszerek teljesen hasonlóan működnek: azonos törvények igazgatják őket, azonos matematikai formulákkal írhatók le. A felbontás, érzékenység és térerősség növelésének eredeti célja a mágneses momentumok pontosabb mérése volt, ám a kémiai eltolódás és a spin-spin csatolás felfedezéséhez, ezáltal az NMR gyakorlati alkalmazhatóságának felismeréséhez vezetett a kémiában.
Rendkívüli jelentőségű az NMR-spektrumok hőmérsékletfüggésének felismerése. Ezt nevezzük dinamikus NMR-mérésnek, amely betekintést enged a mozgó molekulák világába. Az NMR a molekuladinamika egyedülálló 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 hetvenes években a nagy számítógépeknek és a szupravezető mágneseknek, illetve a PFT-technikának 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 csúcsteljesítményű számítógépek óriási adathalmazok igen gyors tárolását és feldolgozását teszik lehetővé. A pulzustechnikával pedig a spinek valósággal táncra perdíthetők, a mérést végző kutató olyan koreográfiát írhat elő számukra, amely igen sok új és más-más fajta információ birtokába juttatja.
A biológia is csatlakozik az NMR-t rutinszerűen alkalmazó természettudományokhoz: makromolekulák, biopolimerek, peptidek és fehérjék szerkezetfelderítése, biológiai folyamatok vizsgálata válik lehetővé. E téren végzett munkájáért egy másik svájci tudós, a 2004-ben az MTA tiszteletbeli tagjává választott Kurt Wüthrich nyerte el 2002-ben a Nobel-díjat.
A rutin NMR-spektrumokból nyerhető adatokat kiegészítő mérések egész arzenáljával lehet bővíteni. Ezek közé tartozik az úgynevezett Overhauser-effektus mérése, a NOE. Ennek lényege, hogy egy molekula adott magját külön is gerjesztve („kettős rezonancia”) a hozzá térben közel lévő más magok megoszlása a kvantumállapotok között úgy változik (nő a betöltöttségkülönbség), hogy a megfelelő átmenet több energiát képes elnyelni a gerjesztő sugárzásból, s ezért nő a jelintenzitás. Az effektus rendkívül érzékeny a gerjesztett és reagáló magok kölcsönös távolságára – ennek hatodik (!) hatványával fordítottan arányos –, ezért alkalmas atom-atom távolságok igen pontos meghatározására. Ez az alapja annak, hogy az NMR felhasználható makromolekulák, közöttük peptidek és fehérjék háromdimenziós szerkezetének felderítésére.
A korszerű NMR-készülékeket vezérlő s ezért ezek szerves részét képező nagy teljesítményű számítógépek lehetővé teszik adatok, akár teljes spektrumok „összeadását” vagy „kivonását” egymásból. Ha egy NOE-spektrumból kivonjuk ugyanannak a mintának a normál spektrumát, akkor csak azok a jelek maradnak meg az úgynevezett DIFFNOE (különbség) spektrumban, amelyek intenzitásnövekedését okozza a NOE. A DIFFNOE-felvételen tehát a jelintenzitások a NOE-növekményeknek felelnek meg.
Az NMR-spektrumokból kapható további paraméter a spin-rács relaxációs idő. Mérésén alapul az NMR orvosdiagnosztikai alkalmazása. Lényege, hogy a malignáns sejtekben a sejtszövet legnagyobb részét kitevő vízmolekulák hidrogénjeire jellemző paraméter megváltozik, nagysága eltér az egészséges sejtekben mérhetőtől. Ha tehát a relaxációs időket egy sejtszövetminta-térfogatban pontról pontra megmérjük és ábrázoljuk, molekuláris felbontású fantomképet nyerünk bármely szövetmintáról, például egy rosszindulatú daganatról, annak nagyságáról, alakjáról és elhelyezkedéséről. Ez az MRI, az NMR-tomográfia. A szervezetben semmiféle károsodást nem okozó, több nagyságrenddel finomabb, pontosabb képet adó MRI sok területen kiváltja, máskor legalábbis kiegészíti a roncsoló hatású, sokkal durvább röntgenvizsgálatot. Az MRI elméletét és méréstechnikáját az 1970-es évek derekán dolgozták ki. E kutatások vezéralakjai, Mansfield és Lauterbur 2003-ban orvosi Nobel-díjat kaptak.
Az NMR perspektíváinak felvázolása akár önálló előadás témája is lehetne. A kilencvenes években elterjedtek az érzékenységet tovább javító módszerek s a más méréstechnikákkal kombinált NMR-vizsgálatok. Ezeknek a kombinált módszereknek és a számítógép-vezérelt mérésautomatizálásnak köszönhetően az NMR-spektroszkópia az ipari minőségbiztosításnak, a technológiai folyamatok kontrolljának mindennapos eszközévé vált. Manapság már működnek olyan csarnoklaboratóriumok, amelyekben csapatnyi kutató mér csúcsteljesítményű NMR-műszerek tucatjain, s dolgozza föl a mérési eredményeket. Ez meggyőzően szemlélteti az NMR-technika rohamosan növekvő jelentőségét – a tudomány világán túl immár az iparban, a termelésben, mindennapi életünkben is.
A fenti szöveg a május 14-én elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető 19-én (szombaton) 13 órakor az MTV és 21-én (hétfőn) 9 órakor az M 2 műsorán. A következő előadást 21-én 19.30-kor a Millenáris Teátrumban (II. Budapest, Fény utca 20–22.) Pléh Csaba és Bodó Balázs tartja A kapcsolatok filozófiája, illetve Információmegosztás az interneten címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu honlapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
Ezt kell tudni a román elnökválasztás esélyeséről
