תהודה מגנטית גרעינית ללא מגנט?

תהודה מגנטית גרעינית (תמ”ג, NMR), שיטה מדעית הכרוכים בה מגנטים על-מוליכים בטמפרטורות נמוכות במיוחד, היא אחד מהכלים העיקריים בידיו של הכימאי, ומשמשת היום לבדיקות אנליטיות החל מכהלים וחלבונים ועד למחקר של מחשוב קוונטי. בבתי-חולים משמש מכשיר דומה, MRI, לאבחון קשת רחבה של מצבים רפואיים.

זה אולי נשמע כמו קסם, אולם שתי קבוצות של מדענים ממעבדות באוניברסיטת ברקלי הדגימו עתה כי ניתן לבצע אנליזה כימית ע”י תמ”ג ללא שימוש במגנטים כלל.

שיטות התמ”ג וה- MRI מתבססות על העובדה כי רבים מגרעיני היסודות האטומיים הם בעלי ספין (תכונה קוונטית) ובדומה לקטבים המגנטיים הצפוני והדרומי של כדור הארץ – הם בעלי שדות מגנטיים דו-קוטביים. בשיטת תמ”ג רגילה גרעינים אלו מסתדרים באותו הכיוון בחשיפה לשדה מגנטי חיצוני, ואז משנים את כיוונם בחשיפה לגלי רדיו. הקצב שבו כל סוג של גרעין “מתנודד” כתוצאה מכך הוא ייחודי ומאפשר זיהוי של היסוד; לדוגמא – גרעין של מימן-1, פרוטון יחיד, מתנודד מהר יותר פי ארבעה מאשר גרעין של פחמן-13, המכיל שישה פרוטונים ושבעה נויטרונים.

היכולת לזהות את האותות הללו תלויה בראש ובראשונה ביכולת לאתר את הספין עצמו; אם בדוגמא קיים מספר זהה של גרעינים בעלי ספין מעלה וגרעינים בעלי ספין מטה הקיטוב הכולל יהיה מאופס, והאותות יבטלו זה את זה. אולם, מאחר מהכיווניות של ספין-מעלה דורשת מעט פחות אנרגיה, אוכלוסיית גרעיני האטומים היא בעלת עודף מועט של ספין מעלה.

“התפיסה המדעית הקיימת טוענת כי הניסיון לבצע מדידות תמ”ג באמצעות שדות מגנטיים אפסיים או חלשים הינה רעיון גרוע, מאחר והקיטוב זעיר, והיכולת לזהות אותות היא מתכונתית לעוצמת השדה החיצוני המופעל.”

“תמ”ג באמצעות שדות מגנטיים אפסיים או חלשים מתחיל בשלושה מאפיינים העובדים כנגדו: קיטוב קטן, יכולת זיהוי נמוכה והעדר חתימה של היסט כימי,” מסביר החוקר הראשי. “אז מדוע להתאמץ לשם כך?” שואל אחד מהחוקרים. “היתרון הגדול הוא היכולת להיפטר מהמגנטים הגדולים והיקרים הדרושים בתמ”ג רגיל. אם נצליח לעשות זאת, ניתן יהיה לפתח מכשיר תמ”ג נייד ולהפחית בעלויות התפעול שלו. התקווה שלנו היא שתהיה יכולת לערוך אנליזה כימית בשדה – מתחת למים, בבארות קידוח ובבלונים פורחים – ואולי אפילו לבצע אבחונים רפואיים הרחק הרחק ממרכזים רפואיים מתקדמים.”

“מסתבר כי קיימות כבר שיטות המתגברות על קיטוב קטן ויכולת זיהוי נמוכה,” מסביר החוקר הראשי. כיווניות הספין ניתנת להגברה במספר דרכים, הנקראות במשותף “על-קיטוב”. אחת מהדרכים לביצוע על-קיטוב בדוגמת גז מימן היא לשנות את היחס בין פארא-מימן לבין אורתו-מימן המצויים בו. כמו רוב הגזים, בטמפרטורה ולחץ רגילים כל מולקולת מימן מכילה שני אטומים הקשורים יחדיו. אם הספינים של גרעיני הפרוטון מכוונים לאותו הכיוון, סוג חלקיק זה מכונה אורתו-מימן. אם הספינים מכוונים לכיוונים מנוגדים, החלקיק מכונה פארא-מימן. מצבי ספין של שני פרוטונים ושני אלקטרונים במולקולת מימן מובילים לשלוש דרכים שבאמצעותן אורתו-מימן יכול להגיע לספין השווה ל-1; לפארא-מימן יכול להיות ספין השווה לאפס בלבד. מולקולות אורתו-מימן, באופן רגיל, מהוות שלושה רבעים מגז המימן והיתר פארא-מימן. ניתן להגביר את כמות הפארא-מימן לחמישים אחוזים או אפילו למאה בטמפרטורות נמוכות מאוד, למרות שיש צורך להוסיף את הזרז המתאים, או אחרת ההמרה עלולה להימשך ימים אם לא שבועות. בשיטה זו ניתן לקבל גז מימן מקוטב מאוד.

עבור שדות מגנטיים חלשים, הגברת יכולת הזיהוי מחייבת גישה שונה לחלוטין – שימוש בגלאים המכונים מגנטו-מטרים. למרות העובדה כי גלאים אלו רגישים במיוחד, עדיין צריך לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות מאוד. מגנטו-מטרים אופטיים-אטומיים מודדים את כל האטום, ולא רק את הגרעין. בשיטה זו, מודדים שדה מגנטי חיצוני באמצעות מדידת הספין של האטומים בתוככי תא אדים של המגנטו-מטר, לרוב גז דליל של מתכת אלקלית כגון אשלגן או רובידיום. הספין שלהם מושפע ע”י קיטוב האטומים באמצעות אלומת לייזר; אם קיים שדה חיצוני, אפילו חלש, הם מתחילים להתנודד. אלומת לייזר שנייה מודדת את שיעור התנודות ובכך ניתן לקבוע את עוצמת השדה החיצוני. קבוצת המחקר הביאה את השיטה הזו לרמה גבוהה באמצעות הגדלת “זמן התְּפוּגָה” (“relaxation time”) – הזמן הלוקח לגז המקוטב לאבד את הקיטוביות שלו.

“לא משנה כמה רגיש הגלאי שלך או מהי מידת הקיטוב של הדוגמה שלך – לא ניתן למדוד הסטים כימיים בשדה השווה לאפס,” מסביר החוקר. “אולם, תמיד היה קיים אות אחר בתמ”ג שבו היה ניתן להשתמש לאנליזה כימית – פשוט שהוא בדר”כ הרבה יותר חלש בהשוואה להסטים כימיים, והוא מכונה צימוד-J (J-coupling).” צימוד זה מתייחס ליחסי-הגומלין שבין שני פרוטונים (או כל שני גרעינים אחרים בעלי ספין), המתווכים ע”י האלקטרונים שלהם. התדירויות האופייניות של יחסי-גומלין אלו, המופיעות בספקטרום תמ”ג, יכולות לשמש על-מנת לקבוע את הזווית שבין הקשרים הכימיים ואת המרחקים שבין הגרעינים. האותות המתקבלים מצימוד זה הם ספציפיים ביותר ומסוגלים להצביע על טיב הצורון הכימי הנמדד.

בשלב זה, החוקרים בנו מגנטו-מטר ייחודי הבנוי ספציפית לשם זיהוי צימוד-J בשדה מגנטי השווה לאפס. “השלב הראשון הוא להכניס את דוגמת הפארא-מימן,” מסביר החוקר. “החלק העליון של המערכת הוא מבחנת בדיקה המכילה את תמיסת הדוגמה שלתוכה מבעבעים את הפארא-מימן.” מתחת למבחנת הבדיקה ממוקם תא האדים האלקאליים של המגנטו-מטר, בגודל הקטן מציפורן. התא מכיל רובידיום וגז מימן ומוקף בגליל העשוי סגסוגת ניקל-ברזל המתפקד כמגן כנגד שדות מגנטיים חיצוניים.

למרות שכל הניסויים שנערכו עד היום התבצעו עם מולקולות הניתנות להידרוגנציה קלה, השיטה ניתנת להרחבה גם לסוגים אחרים של מולקולות. מסביר החוקר הראשי: “אנו רק בתחילת הדרך בפיתוח תמ”ג בשדה השווה לאפס, ועדיין מוקדם מדי לומר אם נוכל להתחרות בתמ”ג בעל שדה גבוה. אולם, כבר הדגמנו כי ניתן לקבל ספקטרום ברור וספציפי ביותר באמצעות התקן המאפשר אנליזה כימית ניידת וזולה.”

הידיעה על המחקר