Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là một công cụ mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, từ hóa học phân tích đến chẩn đoán y tế. Tuy nhiên, bất kể việc sử dụng rộng rãi như thế nào, vẫn có những lĩnh vực mà phương pháp mang lại nhiều thông tin này không thể được sử dụng vì nó bị hạn chế bởi độ nhạy thấp.
Kịch bản thử nghiệm của một chu kỳ. Nhà cung cấp: Phiên bản quốc tế Angewandte Chemie (2023). DOI: 10.1002/anie.202309188
Vì vậy, nhiều nỗ lực đang được thực hiện để tăng độ nhạy của nó. Một trong những phương pháp có khả năng tăng cường tín hiệu NMR là phương pháp gọi là phân cực do parahydrogen gây ra. Phương pháp này sử dụng đặc tính độc đáo của một trong các đồng phân của phân tử hydro được gọi là parahydrogen. Phương pháp này có thể tạo ra tín hiệu NMR mạnh trong các phân tử khác, bao gồm cả những phân tử có liên quan về mặt sinh học. .
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Hóa lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IPC PAS) đã đi sâu vào bí ẩn về số phận của các phân tử parahydrogen liên quan đến quá trình siêu phân cực và họ quan sát thấy các phân tử parahydrogen có thể được chuyển đổi thành orthohydrogen, có NMR bất thường. tín hiệu. Nghiên cứu được trình bày ở đây là một bước tiến trong việc nghiên cứu các chất đồng phân hydro.
Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) giúp phân tích cấu trúc của các phân tử thậm chí rất phức tạp. Nguyên tắc cơ bản của nó dựa trên việc nghiên cứu hành vi của các tính chất từ của hạt nhân, các tính chất của chúng biểu hiện dưới dạng mô men từ của hạt nhân trong nguyên tử khi có từ trường mạnh.
Tuy nhiên, sự tương tác này yếu và do đó việc điều tra sự tương tác này rất khó khăn và đòi hỏi thiết bị khoa học đắt tiền. Nói tóm lại, NMR là một phương pháp rất thiếu nhạy cảm.
Do đó, các nhà nghiên cứu đã cố gắng nâng cao độ nhạy NMR và một trong những phương pháp thuyết phục nhất để thực hiện điều này là sử dụng các đặc tính độc đáo của phân tử hydro. Phân tử này có thể tồn tại ở hai dạng: orthohydrogen (o-H2), với hai spin hướng cùng hướng và parahydrogen (p-H< a i=3>2), với hai spin hướng ngược nhau.
Tính độc đáo của các phân tử parahydrogen nằm ở chỗ hướng quay của chúng, trong những điều kiện cụ thể, có thể được sử dụng để tăng cường tín hiệu NMR trong các phân tử khác. Những điều kiện cụ thể này có thể đạt được thông qua các giao thức trong đó parahydrogen tương tác với các phân tử khác và sự tương tác này được thực hiện thông qua chất xúc tác.
Do sự tương tác này, tín hiệu NMR trong các phân tử tương tác được tăng cường. Tuy nhiên, trong quá trình tương tác này, các vòng quay p-H2 được định hướng lại và o-H2 được tạo. Trong một số trường hợp, sự chuyển đổi này có thể dẫn đến việc tạo ra một phân tử orthohydrogen rất cụ thể. Khi được NMR phát hiện, tín hiệu của nó được biểu hiện dưới dạng Đường âm một phần (PNL).
Mặc dù có một số báo cáo trong tài liệu đề cập đến việc ghi lại PNL, nhưng bản chất của nó vẫn chưa được giải thích và được coi rộng rãi như một hiện vật cần điều tra sâu hơn.
Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Hóa lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan, do Giáo sư Tomasz Ratajczyk đứng đầu, phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Viện Hóa lý tại Đại học Kỹ thuật Darmstadt và Khoa Hóa học tại Đại học Warsaw, đã tập trung vào vấn đề này và đã phát minh ra một quy trình đơn giản có thể được sử dụng để tạo tín hiệu PNL.
Họ phát hiện ra rằng PNL có thể được bắt đầu trong SABER khi sử dụng các phối tử đơn giản như pyridine (Py) và dimethylsulfoxide (DMSO) và điều này có thể được thực hiện bằng các phức hợp N-Heterocycle Carbene (NHC) dựa trên iridium đơn giản được sử dụng làm chất xúc tác. Các thí nghiệm được thực hiện trong ba dung môi có nhãn deuterium: metanol-d4, axeton-< a i=4>d6 và benzen-d6.
Trong tác phẩm của họ được mô tả trong Angewandte Chemie International Edition , họ tập trung vào việc xác định các điều kiện cần thiết cho việc tạo ra PNL, đưa ra một giả thuyết liên quan đến sự xuất hiện của hiệu ứng như một khúc dạo đầu cho các nghiên cứu cơ học sâu hơn về PNL.
"Chúng tôi quyết định kiểm tra chặt chẽ sự tương tác giữa các quá trình kích hoạt và sự xuất hiện của PNL để đưa ra giả thuyết loài nhất thời nào có thể liên quan đến các tín hiệu PNL không phổ biến," giáo sư Tomasz Ratajczyk nói
Họ ghi lại tín hiệu PNL trong quá trình kích hoạt chất xúc tác, trong đó độ siêu phân cực của các phối tử ngày càng tăng và cường độ tín hiệu PNL ngày càng tăng, đạt mức tối đa và sau đó giảm dần. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự xuất hiện của PNL có liên quan đến các quá trình hóa học xảy ra trong quá trình kích hoạt trước chất xúc tác. Bằng cách sử dụng một số dung môi, họ cũng phát hiện ra rằng PNL có thể được quan sát tốt hơn khi quá trình kích hoạt diễn ra chậm hơn.
Các nghiên cứu được trình bày đã xác định các điều kiện cụ thể cần thiết để dễ dàng tạo ra hiệu ứng PNL bằng cách sử dụng quá trình siêu phân cực phổ biến với giao thức SABER cho các phân tử đơn giản như Py hoặc DMSO, cũng như các điều kiện không có bất kỳ phối tử nào.
Họ cũng tìm thấy mối quan hệ thú vị giữa cường độ PNL và sự siêu phân cực SABER của Py và DMSO. Người ta nhận thấy rằng hiệu ứng này chỉ xuất hiện trong giai đoạn siêu phân cực ban đầu và mờ dần theo sự tiến triển của hiệu quả siêu phân cực.
Tín hiệu bất thường và không phổ biến trong các nghiên cứu NMR có thể là điểm nghiên cứu quan trọng có thể được sử dụng để điều tra các cơ chế siêu phân cực chưa được biết đến trước đây.
Giáo sư Tomasz Ratajczyk cho biết thêm: “Chúng tôi cũng nhận thấy mối tương quan thú vị giữa cường độ của hiệu ứng PNL và hiệu quả của quá trình siêu phân cực SABER của Py và DMSO. Chính xác hơn, hiệu ứng PNL chỉ xuất hiện trong giai đoạn kích hoạt, tức là khi quá trình siêu phân cực không hoạt động hoàn toàn trong mẫu."
"Sự hiểu biết về các điều kiện trong đó hiệu ứng PNL có thể được quan sát theo cách có thể tái tạo sẽ tạo điều kiện cho sự hiểu biết thấu đáo hơn về các khía cạnh cơ bản của cơ chế SABER, vốn rất quan trọng đối với quá trình siêu phân cực hiệu quả của các hệ thống liên quan đến sinh học."
Hydro là một trong những phân tử được nghiên cứu rộng rãi nhất, điều này khiến cho tính chất hóa học của nó được hiểu rõ. Nó có thể được sử dụng để nghiên cứu nhiều hợp chất, khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ trong việc nghiên cứu nhiều cơ chế và tìm kiếm ứng dụng ngay cả trong y sinh.
Tuy nhiên, một số khía cạnh của hóa học hydro vẫn còn là một bí ẩn và các tính chất của nó có thể khá đáng ngạc nhiên. Những phát hiện liên quan đến việc sử dụng nó trong quá trình siêu phân cực trong NMR, được các nhà nghiên cứu từ IPC PAS phát hiện, vẫn cần được nghiên cứu thêm để xác định các cơ chế đằng sau tín hiệu PNL. Kết quả cho thấy rõ ràng tầm quan trọng của việc duy trì sự tò mò, thậm chí về một số điều mà rõ ràng là chúng ta đã hiểu rõ.
