​Ядерный магнитный резонанс в отсутствие магнитного поля – вовсе не оксюморон, а новый подход для наблюдения за химическими реакциями в реальном времени. ​

Ученые института «Международный томографический центр» СО РАН (г. Новосибирск) в сотрудничестве с коллегами из института Гельмгольца и университета им. Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия) предложили новый подход для наблюдения за химическими реакциями с помощью ядерного магнитного резонанса в нулевом магнитном поле. Статья об этом вышла в журнале Angewandte Chemie. 

На явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан такой широко распространенный метод неинвазивной медицинской диагностики, как магнитно-резонансная томография (МРТ). Высокая специфичность данного явления к различной природе химических веществ в организме делает МРТ исключительно информативным методом, позволяя получать сведения о пространственном распределении биологически важных молекул. Однако такая специфичность метода ЯМР может применяться не только для изучения живых объектов, но и для изучения промышленно важных каталитических процессов. 

В лаборатории профессора И.В. Коптюга в МТЦ СО РАН накоплен большой опыт по применению спектроскопии и томографии ЯМР в области химической технологии и катализа, в том числе для изучения разнообразных процессов транспорта вещества в модельных каталитических реакторах и прямой визуализации пространственного распределения реагентов и продуктов химических реакций. Однако в классическом исполнении спектроскопия ЯМР проводится в присутствии сильного магнитного поля (и, соответственно, электромагнитного излучения радиочастотного диапазона), что связано с необходимостью создания достаточного сигнала для его регистрации. Но такое исполнение затрудняет применение данного метода для изучения химических превращений в условиях, близких к используемым в промышленности (высокие давления и температуры, проведение реакции в металлическом реакторе, существенная неоднородность образца, связанная с присутствием гетерогенного катализатора, и др.). В первую очередь это обусловлено тем, что металлический реактор действует как экран, предотвращая проникновение радиочастотных волн, необходимых для регистрации сигнала ЯМР исследуемых молекул. Кроме того, спектроскопия ЯМР в сильном поле чрезвычайно капризна к качеству образца, и зачастую спектр ЯМР от неоднородных образцов недостаточно информативен.  

В качестве решения ученые предложили использовать спектроскопию ЯМР в нулевом (сверхнизком) магнитном поле вкупе с методами гиперполяризации. Данная работа была проведена в лаборатории профессора Дмитрия Будкера, одного из пионеров в области спектроскопии ЯМР в сверхнизких магнитных полях. Из-за отсутствия сильного внешнего магнитного поля металлический реактор не будет иметь экранирующего эффекта. 

Однако отсутствие внешнего магнитного поля приводит к необходимости использования методов гиперполяризации для создания достаточного для регистрации сигнала. В данном случае был использован метод индуцированной параводородом поляризации ядер. Ученые исследовали двухстадийную реакцию гидрирования ненасыщенного субстрата водородом (A → B → C) в контейнере из титана, а также в стандартной ампуле ЯМР для сравнения. В каждом случае обогащенный пара-изомером водород пропускали через образец и регистрировали спектры ЯМР в нулевом поле. Результаты показали, что химические превращения в металлическом контейнере можно легко отслеживать с помощью ЯМР в нулевом поле. Более того, можно наблюдать кинетику протекающих превращений с высоким спектральным разрешением при непрерывном барботировании параводорода через исследуемый раствор, что невозможно в традиционном ЯМР в сильных полях. 

«Мы ожидаем, что спектроскопия ЯМР в нулевом поле найдет применение в области катализа для наблюдения за химическими превращениями во времени, а также для изучения механизмов химических реакций в реальных условиях», - пишут исследователи в статье, опубликованной в ведущем научном журнале Angewandte Chemie. 

D.B. Burueva, J. Eills, J.W. Blanchard, A. Garcon, R. Picazo-Frutos, K.V. Kovtunov, I.V. Koptyug, D. Budker. Chemical reaction monitoring using zero-field nuclear magnetic resonance enables study of heterogeneous samples in metal containers, Angewandte Chemie International Edition, 2020, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006266 

Похожие новости

  • 22/01/2020

    Квантовая химия как способ дополнить эксперимент тонкими деталями

    ​Сотрудники Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН занимаются квантовой химией — их расчеты помогают в разработке одномолекулярных магнитов для электроники, ракетных топлив и подушек безопасности для автомобилей.
    4317
  • 20/03/2018

    В Новосибирске обсудили актуальные проблемы органической химии

    ​В новосибирском Академгородке прошла всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии», собравшая 190 участников из России, Казахстана, США, Франции и Японии.
    2566
  • 17/05/2021

    Работы учёных СО РАН вошли в спецвыпуск журнала Reviews in Chemical Engineering

    ​В журнале Reviews in Chemical Engineering, одном из ведущих мировых обзорных журналов химико-технологического профиля, вышел специальный выпуск, полностью посвященный современным работам российских ученых в сфере химической технологии, в том числе катализа.
    688
  • 09/03/2016

    Ученые о результатах и перспективах исследований в области спиновых переходов

    ​Новые материалы, которые изучаются и синтезируются в лаборатории многоспиновых координационных соединений Международного томографического центра СО РАН, могут не только дышать, но и менять свою окраску под влиянием различных факторов, и даже прыгать.
    1901
  • 08/11/2019

    Научный подход: работа сотрудников МТЦ и НИОХ СО РАН

    ​В недавней совместной работе сотрудников Международного томографического центра и специалистов НИОХ СО РАН впервые показано, что фотовозбужденные триплетные фуллерены могут быть успешно использованы как спиновые метки для измерения расстояний на нанометровой шкале в биомолекулах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
    1059
  • 26/06/2020

    Предложен новый фотокатализатор для расщепления воды

    Ученые из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы и Международного томографического центра СО РАН предложили новый фотокатализатор для расщепления воды на основе металлорганического каркаса.
    697
  • 21/06/2021

    Сибирские ученые синтезировали уникальную молекулу вердазил-нитроксильного трирадикала

    Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами синтезировали уникальную молекулу вердазил-нитроксильного трирадикала. Получить молекулы со схожими свойствами смогли лишь несколько исследовательских групп в мире.
    901
  • 27/08/2020

    Российские ученые получили новые молекулы — органические «магниты»

    ​​Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета синтезировали новые стабильные органические радикалы с магнитными свойствами.
    1572
  • 21/10/2019

    Ученые исследуют двумерные спектры ЯМР спектроскопии

    Спектроскопия ЯМР в двух измерениях является одним из наиболее важных спектроскопических методов изучения биологически важных молекул. Однако, ввиду относительно низкой чувствительности ЯМР спектроскопии, для получения таких спектров зачастую требуются десятки минут и даже часы.
    1038
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    2903