SPEKTROSKOPIA NMR JAKO NARZĘDZIE

BADAŃ CHEMIKA, BIOLOGA I LEKARZA

C

oraz częściej lekarze kierują pacjentów na badania „rezonan­

sem magnetycznym”. Podobnie jak kiedyś słowo rentgen

przyjęło się jako nazwa badania, tak teraz rezonans oznacza

potoczną nazwę nowej metody obrazowania opartej na zjawisku

magnetycznego rezonansu jądrowego (w skrócie NMR – Nuclear

Magnetic Resonance). Innymi słowy – jeśli lekarz mówi: „należy

wykonać rezonans” oznacza to, że pacjent winien poddać się ba­

daniu wykonanym za pomocą urządzenia zwanego tomografem

rezonansu magnetycznego (MR), w wyniku którego zobaczyć

można wnętrze jego organizmu.

Na czym polega zjawisko NMR? Ponad 60 lat temu do­

świadczalnie pokazano, że przez naświetlanie promieniowaniem

elektromagnetycznym o częstości
ω = γB

0

próbki umieszczonej

w stałym polu magnetycznym B

0

i zawierającej jądra paramagne­

tyczne, można wywołać przejścia

między tzw. poziomami zeema-

nowskimi tych jąder. Niestety

ścisły i krótki opis tego zjawiska

nie jest możliwy, ponieważ może

ono być opisane tylko na gruncie

fizyki kwantowej. A zatem, jak

to w takich przypadkach bywa,

rozważmy dalej tylko możliwości

jego zastosowań.

W pierwszych latach po od­

kryciu fizycy użyli NMR jako

metody pomiarów momentów

magnetycznych i współczynni­

ków żyromagnetycznych jąder.

Wykorzystano też ją do kon-

Schemat tomografu MR

strukcji bardzo czułych magnetometrów czyli przyrządów do
pomiarów pola magnetycznego. Wkrótce, a szczególnie po po­
jawieniu się magnesów nadprzewodzących, rozwinięto technikę
spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej NMR pozwalającą
na otrzymywanie widm związków chemicznych, złożonych
z linii pochodzących od różnych grup jąder rezonansowych.
Dzięki temu chemicy otrzymali narzędzie określania struktury
wielu molekuł. Najlepszym przykładem jego wykorzystania stało
się potwierdzenie równoważności atomów węgla w cząsteczce
fullerenu C60, dla której otrzymano widmo w postaci pojedynczej
linii. Wynik ten świadczył o doskonałej symetrii atomów węgla
tej cząsteczki.

Od zarania badań NMR wiadomo było, że spektroskopia NMR

ma wielkie możliwości wykorzystania w biologii i medycynie.
Dlatego jej dalszy rozwój zwrócił się właśnie w tym kierunku.
Szerokie zastosowania NMR w wynikają z faktu, że najbardziej
„rezonansowe” jest wszechobecne w materii biologicznej jądro
wodoru

1

H (czyli proton). Przykładowo: widma wodorowe wyso­

kiej zdolności rozdzielczej roztworu białka pozwalają na identyfi­
kację rozpuszczonej makromolekuły. Przy zastosowaniu technik
spektroskopii dwuwymiarowej z wykorzystaniem tzw. efektu

Overhausera możliwe jest poznanie struktury przestrzennej i oce­
na dynamiki ruchów molekularnych drobiny. Trzeba podkreślić,
że jest to, jak dotąd, jedyna metoda pozwalająca na odtworzenie
struktury makromolekuł biologicznych w roztworze.

Bardzo ważną zaletą spektroskopii NMR jest fakt, że jest

ona metodą całkowicie nieinwazyjną, czyli że nawet bardzo
delikatna próbka nie ulega zniszczeniu podczas badania,
a więc może nią być żywy organizm (żywy człowiek)!

Najbardziej precyzyjnym pomiarem w fizyce jest pomiar czę­

stości, którego dokonuje się już z dokładnością 10

-14

. I właśnie na

pomiarze częstości opiera się zjawisko NMR. Jak już wcześniej
wspomniano, częstość rezonansu próbki zależy od wielkości

pola magnetycznego B

0

, w któ­

rym została ona umieszczona.
W przypadku, w którym pole jest
niejednorodne (poprzez dodanie
tzw. gradientu pola) i zmienia się

w określony sposób od jednego
do drugiego elementu przestrzeni
(w fachowym żargonie nazywa
się on voxelem), dla każdego
z voxeli częstość rezonansowa
jest inna. Częstość ta może być,
jak wspomniano wyżej, mierzona
bardzo precyzyjnie. Innymi sło­
wy: od każdego voxela możliwa
jest rejestracja oddzielnego sy­
gnału (lub widma) NMR. Natęże­
nie sygnału zależy m.in. od ilości
protonów w voxelu, co stanowi
podstawę otrzymywania obrazów
tomograficznych wnętrza badanej

próbki (patrz rysunek). Ideę tę po raz pierwszy przedstawił na zor­
ganizowanej w Krakowie w IF UJ w sierpniu 1973 roku konferencji

I Specialized Colloque AMPERE

zaproszony przez prof. Jacka

Hennela – młody naukowiec z Uniwersytetu Nottingham Sir
Peter Mansfield, obdarowany za te badania przez królową bry­
tyjską tytułem szlacheckim, późniejszy laureat Nagrody Nobla.
Tak więc jest w tym odkryciu mały „akcent polski”. W chwili
obecnej metoda obrazowania nazwana tomografią rezonansu
magnetycznego (albo MR Imaging) zawędrowała „pod strze­
chy” i pomaga lekarzom na diagnozowanie różnych chorób
w licznych szpitalach na całym świecie. W krakowskich szpita­
lach i klinikach pracują co najmniej trzy tomografy rezonansu
magnetycznego, w Polsce jest ich kilkanaście. Z wyjątkiem płuc
możliwe jest doskonałe nieinwazyjne obrazowanie wszystkich
części naszego ciała, przy czym najbardziej cenne są obrazy
mózgu. Mózg jest słabo różnicowany za pomocą badań rentge-
nograficznych, zaś obrazy tomograficzne MR dają możliwość
pokazania wielu jego szczegółów.

Coroczne konferencje International Society for Magnetic

Resonance in Medicine

gromadzą tysiące specjalistów z całego

świata, zaś liczba prezentowanych w tym roku w Miami na

28

ALMA MATER

Florydzie referatów i komunikatów posterowych wynosiła aż
2830! W Polsce aktywnie działa Polskie Towarzystwo Rezonansu
w Medycynie organizując swoje zjazdy co trzy lata. Na konferen­
cjach tych spotykają się fizycy, chemicy, biolodzy oraz lekarze.
Za osiągnięcia w dziedzinie NMR przyznano już 5 Nagród Nobla
w trzech dziedzinach. W dziedzinie fizyki otrzymali je: Isidor
Isaac Rabi (w 1944 roku za rezonansową metodę poznawania ma­
gnetycznych własności jąder atomowych), Felix Bloch i Edward
Mills Purcell (w 1952 roku za wkład do rozwoju nowych precyzyj­
nych metod pomiarów magnetyzmu jądrowego i związane z tym
odkrycia), w dziedzinie chemii Richard R. Ernst (w 1991 r. za jego
wkład do metodologii spektroskopii NMR wysokiej zdolności
rozdzielczej) i Kurt Wüthrich (w 2002 r. za rozwój spektrosko­
pii NMR w określaniu trójwymiarowej struktury makromolekuł
biologicznych w roztworze) oraz w dziedzinie medycyny Paul C.
Lauterbur i Sir Peter Mansfield (2003 r. za ich odkrycia dotyczące
metod obrazowania magnetyczno-rezonansowego).

Oprócz działań komercyjnych, które obecnie zostały przejęte

przez znane firmy budujące tomografy MR, nadal przez fizy­
ków prowadzone są prace czysto badawcze z dziedziny NMR.
Dotyczą one opracowań teoretycznych oraz wprowadzania ulep­
szeń w badaniach spektroskopowych. Najnowsze osiągnięcia
w dziedzinie zastosowań to badania spektroskopowe wykony-

wane in vivo, pozwalające na śledzenie procesów metabolicz­
nych w wybranym voxelu żywego człowieka. Spektroskopia ta
oparta jest często na innych niż wodór jądrach rezonansowych
takich jak: fosfor

3 1

P, węgiel

13

C oraz fluor

1 9

F. Pozwala to

na otrzymywanie selektywnych informacji m.in. o działaniu
leków. Dalsze zastosowanie to funkcjonalne badania mózgu,
oparte na metodzie BOLD (Blood Oxygen Level Dependent),
pozwalające zlokalizować partie mózgu odpowiedzialne np. za
ruch palcami lub używanie obcego języka - często są to badania
komplementarne z tomografią PET (Positron Emission Tomo-
graphy). Jednakże obecnie najbardziej obiecujące wydaje się
zastosowanie metod NMR do badań komórek macierzystych.
Odpowiednio oznakowane magnetycznie mogą być one, np. po
wstrzyknięciu do organizmu, śledzone za pomocą tomografu
MR. Obserwacje te są niezwykle cenne w perspektywie zastoso­
wań tych komórek do reparacji uszkodzonych (np. przez zawał
serca lub nowotwór) narządów.

Historia rozwoju NMR jest znakomitym przykładem roli

fizyki w naszym życiu - gdyby nie metody wymyślone przez
fizyków do obserwacji momentów magnetycznych jąder,
nie byłoby przecież nowoczesnych metod diagnostycznych
w medycynie...

Barbara Blicharska

j

_i j j _i j j j

-i-i

j j

J J J J J J J .

FIZYKA APLAUZU

M

echanizmy znane w fizyce mogą pojawić się tam, gdzie

wydawałoby się, że nie ma dla nich miejsca. Zjawisko

kolektywnego aplauzu zdaje się leżeć raczej w intencjonalnej

sferze działalności ludzkiej i nie podlega „biernym prawom

fizyki”. Oczywiście to, czy ja będę klaskać, zależy tylko ode

mnie, ale to, czy uda mi się klaskać rytmicznie z moim sąsia­

dem w sali koncertowej lub z całą widownią, zależy od tego,

czy uda nam się spełnić warunki, o których dowiedzieć się

można analizując ruch układów

sprzężonych.

Rytmiczny aplauz to zjawisko

spotykane m.in. w salach koncer­

towych, kiedy po wyjątkowym

koncercie publiczność pragnie

razem wyra zić uznanie dla arty­

stów. Ważną cechą aplauzu syn­

chronicznego jest to, że nie po­

jawia się on od samego początku

owacji – zawsze poprzedzony jest

pewną fazą niesynchronicznych

oklasków. W przypadku bardzo

rozentuzjazmowanej publicz­

ności synchroniczny aplauz nie

trwa długo. Okazuje się, że wi­

downia szybko gubi rytm, jednak

po pewnym czasie może na nowo powrócić do rytmicznej

owacji.

Klaskanie synchroniczne

Przypomnieliśmy już podstawowe fakty związane

z rytmicznym aplauzem, spróbujmy teraz odpowiedzieć na
pytanie, jakie warunki należy spełnić, aby wi dzowie zsyn­
chronizowali owację. W tym celu odwołamy się do analizy
ruchu układu sprzężonych ze sobą rotatorów. Każdy rotator
scharakteryzowany jest częstością, z jaką kręci się swobod­
nie w odizolowaniu od reszty rotatorów (rotator najłatwiej
wyobrazić sobie jako obracającą się karuzelę, tyle tylko,

że aby karuzela była rotatorem,
musiałaby się obracać zawsze
z tą samą częstością). Załóżmy,
że zbiór rotatorów składa się
z podobnych do siebie, ale nie
takich samych rotatorów - często­
ści ruchu swobodnego rotatorów
nieznacznie różnią się od siebie.
Może my wyliczyć średnią wartość
częstości zbioru rotatorów oraz
określić szerokość przedziału
częstości a, w którym zawierają
się częstości rozważanego zbioru
rota torów. Kuramoto i Nishikawa

1

przebadali ruch układu rotatorów
w przypadku, gdy między rotatora-
mi pojawia się oddziaływanie, któ­

rego siła scharakteryzowana jest pewnym współczynnikiem
K.

Okazuje się, że aby nastąpił kolektywny ruch rotatorów,

ALMA MATER

29