Magnetische resonantie aan individuele moleculen

Fysici en chemici moesten tot voor kort genoegen nemen met de bestudering van grote aantallen atomen en moleculen tegelijk. Maar tegenwoordig is het met een aantal vernuftige uitvindingen mogelijk geworden om het gedrag van individuele deeltjes aan een onderzoek te onderwerpen.

Allereerst was er de ionenval, het geesteskind van de Duitse Nobelprijswinnaar Wolfgang Paul, waarin met behulp van magnetische en elektrische velden geladen deeltjes (ionen) kunnen worden gevangen en bestudeerd. Hiermee slaagde men er voor het eerst in de theoretisch gepostuleerde quantumsprongen experimenteel te detecteren.

Meer recent konden atomen en moleculen plotseling ook echt waargenomen worden door de ontwikkeling van technieken als de scanning tunneling microscoop en de atomic force microscoop, waarvan de eerste goed was voor een Nobelprijs.

Ongeveer twee jaar geleden werd opnieuw een mijlpaal bereikt, toen ook individuele moleculen spectroscopisch bleken te kunnen worden bestudeerd. Daarvoor waren in eerste instantie twee groepen verantwoordelijk, één rond de Franse fysicus Michel Orrit van de Universiteit van Bordeaux, en een andere rond William Moerner van het IBM laboratorium in San Jose, Californië.

Wanneer onderzoekers het spectrum van moleculen willen opnemen, lossen ze die op in een geschikt oplosmiddel om ervoor te zorgen dat ze los van elkaar komen. Bovendien wordt het sample vaak nog eens afgekoeld tot temperaturen vlak boven het absolute nulpunt, omdat spectra daar in het algemeen veel scherpere pieken geven en dus eenvoudiger zijn te interpreteren. Toch leveren ze in die omstandigheden niet altijd eenduidige informatie, omdat in een willekeurig experiment noodzakelijkerwijs grote aantallen moleculen (grofweg zo'n 10 miljoen) tegelijk worden bekeken. Banden in een spectrum zijn dan ook bijna altijd samengesteld uit grote aantallen smallere pieken, die wél corresponderen met enkele moleculen, maar die niet meer te ontrafelen zijn. Zo raakt informatie over interessante effecten en interacties als het ware "ondergesneeuwd' en kan zij alleen langs indirecte weg worden verkregen.

Het blijkt echter helemaal niet zo ingewikkeld te zijn om de signalen van afzonderlijke moleculen te detecteren: neem daarvoor een laser met een heel nauwkeurig bepaalde golflengte, gebruik een zeer laag geconcentreerde oplossing en dunne samples en zoek niet het midden op van de (brede) banden in een spectrum, maar ga in de vleugels (wings) van die banden zoeken, daar ztten immers niet zoveel moleculen!

Dit, voor spectroscopisten althans, eenvoudige recept werd twee jaar geleden voor het eerst in de praktijk gebracht. Zoals dat vreemd genoeg vaker gaat, gebeurde dat door twee groepen onderzoekers op bijna hetzelfde moment. Opeens was het mogelijk één molecuul spectroscopisch te onderzoeken. Zo kon de invloed van naaste buren worden bestudeerd, het gedrag in een elektrisch veld, levensduren van aangeslagen toestanden en dat allemaal direct, zonder ingewikkelde interpretaties achteraf.

De IBM-groep slaagde er verder nog in om een molecuul een soort fotochemische reactie te laten ondergaan: onder invloed van laserlicht veranderden ze de directe omgeving van het molecuul, waardoor het spectrum ook veranderde. Dit was voor IBM overigens niet zomaar een experiment, maar eentje van wellicht groot technologisch belang. Want hiermee hadden de onderzoekers een ultieme vorm van optische dataopslag te pakken: één bit per molecuul!

Leiden

Enthousiast gemaakt door de eerste resultaten zijn inmiddels vele groepen in het single molecule spectroscopy onderzoek gedoken. Dat heeft geleid tot een nieuw hoogstandje en deze keer nog wel van een groep onderzoekers van de Rijksuniversiteit Leiden onder leiding van Jan Schmidt en Edgar Groenen. Zij publiceerden onlangs in Nature (20 mei 1993) een artikel over wat het meest gevoelige magnetische resonantie experiment ooit uitgevoerd moet zijn, namelijk dat aan één enkel molecuul, aan één enkele spin. En wederom is er sprake van een opmerkelijke samenloop: in hetzelfde nummer van Nature wordt deze primeur ook beschreven door een concurrerende groep uit Berlijn.

Veel atomen zijn ten gevolge van de draaiing van hun geladen kern zelf enigszins magnetisch: ze hebben een (kern)spin. In een uitwending magneetveld richten deze spins zich., óf met het veld mee, óf er tegenin. Aangezien deze twee toestanden een, zij het gering, energieverschil hebben, dat met behulp van radiogolven te overbruggen is, is het mogelijk om atomen "magnetisch' te detecteren. Zo wordt een NMR (Nuclear Magnetic Resonance of kernspinresonantie) spectrum verkregen, dat tegenwoordig voor chemici en biologen van onschatbare waarde is bij de structuuropheldering van moleculen. Daarnaast wordt in ziekenhuizen tegenwoordig op grote schaal de magnetic resonance imaging techniek toegepast bij het afbeelden van inwendige organen.

Maar ook moleculen als geheel kunnen onder bepaalde omstandigheden een netto spin krijgen. Zo hebben veel organische moleculen zogenaamde aangeslagen triplet-toestanden. Wanneer een molecuul, bijvoorbeeld onder invloed van laserlicht, in zo'n toestand wordt gebracht, heeft het een magnetisch moment zolang de triplet bestaat. Deze kan vervallen onder uitzending van licht, de zogenaamde fosforescentie, maar dat kan soms wel meer dan een seconde duren.

Bestudering van deze triplettoestanden geeft fysici onschatbare informatie over de eigenschappen van het molecuul in kwestie. Net als bij het opnemen van een NMR-spectrum wordt hierbij de absorptie van elektromagnetische golven gedetecteerd, echter nu in het microgolfgebied.

In Leiden doet men dat al sinds het begin van de jaren zeventig langs optische weg, door veranderingen in de intensiteit van het fosforescentielicht te meten. Op basis van deze techniek, die sowieso wat gevoeligheid betreft een enorme vooruitgang betekende ten opzichte van conventionele technieken, worden steeds nieuwe methoden ontwikkeld en andere frequentiegebieden blootgelegd.

Mengkristal

Vorig jaar vatte het idee post om te proberen zo'n zelfde magnetische resonantie experiment te doen, maar nu aan één enkele spin en dat is nu gelukt. De concurrende groep uit Berlijn, gesteund door de Franse pioniers van de single molecule spectroscopy, zat de Leidenaars echter op de hielen. Wat was er dus logischer dan een beroep te doen op de expertise van de IBM-groep? In nauwe samenwerking werd zo het experiment gepland en uitgevoerd aan het "standaard' sample dat bijna iedereen in dit vakgebied gebruikt, een zogenaamd mengkristal van de aromatische moleculen para-terfenyl en pentaceen.

Op dezelfde manier als hierboven geschetst kon een molecuul worden gesoleerd, waarna excitatie met laserlicht zorg droeg voor het creëren van de benodigde spintoestand. Vervolgens werden microgolven ingestraald met een variabele frequentie en werd de absorptie daarvan optisch gedetecteerd, een door de Leidse groep in de afgelopen jaren geperfectioneerde techniek.

Het directe belang van het Leidse experiment is gelegen in zijn uitzonderlijke gevoeligheid, die de weg opent naar unieke mogelijkheden op het gebied van de magnetische resonantie, bijvoorbeeld bij het onderzoek van moleculen in de vaste stof. Waar vroeger alleen aan zeer geordende, kristallijne materialen gemeten kon worden, wordt het nu mogelijk zogenaamde amorfe materialen te bestuderen. Hierdoor wordt het toepassingsgebied van de magnetische resonantie techniek op een ongekende wijze uitgebreid.