Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 46 – vyšlo 15. listopadu, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

46/2004

Nová technologie využití nukleární magnetické rezonance

Marek Jasanský

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