Nowa metodologia spektroskopii NMR w bardzo słabych polach magnetycznych
W analizie chemicznej wysokopolowy rezonans magnetyczny (NMR) jest podstawową techniką badania budowy, struktury i funkcji cząsteczek oraz obrazowania próbek chemicznych bez uszkodzenia badanego materiału. Poza szpitalami i przemysłem farmaceutycznym jednym z głównych obszarów zastosowania NMR jest dostarczanie unikalnych informacji na temat pól przepływu, powinowactwa powierzchni oraz chemii powierzchni porowatych nośników katalizatorów i skał. Pomimo licznych zalet NMR jest często metodą kosztowną i wymaga użycia silnych pól magnetycznych, których nie można zastosować do badania wielu materiałów. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu ODMR-CHEM opracowali zestaw narzędzi umożliwiający naukowcom badanie zachowania płynów i aktywności chemicznej w mieszaninach substancji stałych i płynnych podczas reakcji heterogenicznych. „Naszym celem było pokonanie trudności dzięki użyciu NMR w bardzo słabych polach magnetycznych oraz skupienie się na szybkiej i wydajnej detekcji chemicznej, przenośności i niskim koszcie” – mówi uczestnik projektu dr Michael Tayler. Wprowadzenie magnetometru jądrowego Kluczowym efektem projektu było opracowanie nowej metodologii spektrometrii NMR w bardzo słabych polach magnetycznych dzięki wykorzystaniu najnowszych odkryć w dziedzinie magnetometrii atomowej. „Magnetometry atomowe to obecnie najdokładniejsze z dostępnych czujników magnetycznych” – wyjaśnia Tayler. „Ponadto są one zarówno trwałe, jak i skalowalne, co czyni z nich obszar o strategicznej wadze dla europejskich programów badawczych”. Praca nad rozwojem tej metodologii rozpoczęła się na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (USA), gdzie Tayler pod przewodnictwem wiodących zespołów badawczych nauczył się konstruowania magnetometrów i ich zastosowania jako czujników MNR. Następnie przeniósł tę wiedzę na Wydział Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu Cambridge, gdzie prowadził badania skupiające się na wykorzystaniu NMR w chemii katalitycznej z wykorzystaniem technik in situ oraz operando. Dodatkowo uczestnicy projektu skonstruowali spektrometr wykorzystywany do badań z użyciem niskolopowego NMR na Uniwersytecie Cambridge. Przyrząd ten jest wykorzystywany nie tylko do analizy chemicznej materiałów porowatych – badacze testują również możliwości zastosowania go jako niedrogiego narzędzia do monitorowania przebiegu reakcji chemicznych w codziennej pracy laboratoryjnej. „Jeśli poszukujesz nowych zjawisk naukowych, ważne jest stosowanie wiodących na świecie przyrządów” – mówi Tayler. „Konstruując własne narzędzia, tak jak my w ramach projektu ODMR-CHEM, możesz kontrolować przebieg eksperymentów i dzięki temu szybciej dokonywać odkryć”. Stałe postępy Chociaż projekt oficjalnie się zakończył, prace nadal trwają. Na przykład badacze współpracują obecnie z laboratorium badawczym na Uniwersytecie Cambridge oraz ważnym przedstawicielem przemysłu petrochemicznego. „Razem badamy, jak techniki opracowane w ramach projektu ODMR-CHEM mogą ułatwić zrozumienie działania katalizatorów w realnych sytuacjach i wykorzystanie tej wiedzy do maksymalizacji ich skuteczności” – dodaje Tayler. „Jak dotąd, wyniki są bardzo pozytywne”. Tayler pomagał również w tworzeniu europejskiej sieci współpracy grup badaczy zajmujących się zastosowaniem rezonansu magnetycznego pola ultraniskiego w diagnostyce medycznej, obrazowaniu o ultrawysokiej rozdzielczości, analizie chemicznej i badaniach podstawowych w obszarze fizyki. Konsorcjum niedawno otrzymało dofinansowanie z programu Marie Curie ITN/Horizon 2020 na realizację projektu ZULF NMR.
Słowa kluczowe
ODMR-CHEM, spektrometr, analiza chemiczna, magnetyczny rezonans jądrowy, (NMR), magnetometry
