Een fraai maar voor mij mysterieuze verbeelding (?) van kernspinmagnetische resonantie van het Pines-lab (afb: Pines-lab)
De NMR-techniek (in medische toepassing MRI genoemd) zou wel eens een grote stap vooruit kunnen maken door toepassing van diamanten. Het signaal en, neem ik het, het oplossend vermogen, van kernspinmagnetische resonantie bleek aanzienlijk vergroot te worden door de hyperpolarisering van 13C-kernen (een koolstofisotoop) in diamant bij het gebruik van microgolven, zo vonden onderzoekers van, onder meer, het Pines-lab in Berkeley (Cal). Die vondst zou toekomstige NMR- en MRI-machines wel eens een stuk nauwkeuriger kunnen maken, denken ze.
Het onderzoek stond onder leiding van NMR-rot Alexander Pines van het Lawrence Berkeley-lab van het Amerikaanse ministerie van energie en van Glenn Seaborg van de universiteit van Californië in Berkeley. De onderzoekers zagen bij kamertemperatuur hyperpolarisering optreden van de kernen van de koolstofisotoop bij willekeurige magneetvelden en kristaloriëntaties. Daardoor steeg de gevoeligheid van het NMR-signaal met vele grootteordes ten opzichte van wat normaal haalbaar is met die techniek bij kamertemperatuur. De hyperpolerisering werd verkregen door microgolven te gebruiken in plaats van door precieze sturing door magneetvelden. De onderzoekers denken dat de nieuwe hyperpolariseringstechniek de gevoeligheid van de NMR-techniek in vaste en vloeistoffen bij kamertemperatuur aanzienlijk zal kunnen opschroeven.
NMR is in staat chemische stoffen van elkaar te onderscheiden en is, anders dan röntgenstraling, niet-destructief. Daardoor is die techniek geschikt voor een breed toepassingsveld. De techniek is zijn praktische leven in de scheikunde begonnen, waar de techniek in den beginne vooral gebruikt werd om structuren van ingewikkelde organische verbindingen op te lossen, maar is bij het grote publiek tegenwoordig vooral bekend door zijn medische toepassingen. Op een MRI-scan zijn dan ook, anders dan bij röntgenopnamen, diverse weefsels te onderscheiden. De signalen die opgepikt worden bij NMR, zijn de interacties tussen de spins van de atoomkernen (een kernspin is een kwantumeigenschap en schijnt weinig uit te staan hebben met draaiing). Als alle spins dezelfde richting op staan, dan zijn die gepolariseerd. Hoe meer polarisering, hoe groter het signaal. Vandaar die blijdschap van de onderzoekers over de hyperpolarisering van de 13C-kernen.
In de loop van tientallen jaren heeft Pines met medewerkers gewerkt aan de hyperpolarisering van kernspins. De aandacht de laatste twee jaar lag bij diamanten met een ‘stikstofgatcentrum’, waar optische en spineigenschappen zijn gekoppeld. Pines: “Zo’n centrum wordt gemaakt als twee naburige koolstofatomen in een kristalrooster worden verwijderd en een daarvan wordt opgevuld met een stikstofatoom, terwijl het andere leeg blijft. In dat centrum bevinden zich ongepaarde elektronen tussen het stikstofatoom en het gat dat elektronspinpolarisering geeft.”
In eerdere studies hadden Pines c.s. laten zien dat een weinig krachtig magneetveld kan worden gebruikt om de elektronspinpolarisering over te brengen op nabijgelegen 13C-kernen, hetgeen leidt tot gehyperpolariseerde kernen. Deze overdracht, dynamische kernpolarisering genoemd, is al eerder gebruikt om NMR-signalen te verbeteren, maar alleen bij sterke magneetvelden en lage temperaturen. Die bleken niet langer nodig als een permanente magneet in de buurt van de diamant werd geplaatst. “In ons onderzoek gebruikten we microgolven om de overdracht tussen elektron- en kernspin mogelijk te maken in plaats van een magneetveld”, zegt medeonderzoeker Jonathan King. “Dat ontslaat ons van de problemen om het magneetveld heel nauwkeurig te richten. In vorige studies maten we de polarisering indirect met optische technieken, omdat we niet goed konden testen of het hele monster was gepolariseerd of alleen de kern vlak bij het stikstofgatcentrum. Nu kunnen we dat wel.”
Volgens de onderzoekers zijn gehyperpolariseerde diamanten simpel in te passen in de apparatuur. King: “We verwachten sterk verbeterde NMR-apparatuur voor vloei- en vaste stoffen met gebruikmaking van de bestaande technieken voor polariseringsoverdracht.”
Bron: Science Daily