Edelgas versterkt met 'estafette' radiosignalen van kernspin (NMR)

Vijftig jaar nadat voor het eerst het radiosignaal van een kernspin werd opgevangen is magnetische kernspinresonantie (NMR) onmisbaar geworden bij de structuuropheldering van de meest ingewikkelde moleculen. Daarnaast wordt met name in medische toepassingen de laatste tijd de MRI-scanner (magnetic resonance imaging) steeds populairder.

Beide technieken maken gebruik van het feit dat sommige atoomkernen zich als kleine magneetjes (spins) kunnen gedragen. In een magnetisch veld zullen ze óf met het veld mee óf er juist tegenin gaan staan. Als ze nu een zetje krijgen van een kort radiosignaal, zullen ze omklappen, en zelf ook een klein signaaltje afgeven waarvan de frequentie karakteristiek is voor het atoom en zijn omgeving. Daarvoor is het wel noodzakelijk dat er een verschil is in het aantal kernen dat 'omhoog' en 'omlaag' staat. Deze zogenaamde polarisatie is echter bij kamertemperatuur zo klein - een verschil van één op de honderdduizend - dat een NMR-signaal in het algemeen erg zwak is. Gelukkig kijkt men met een conventioneel NMR-apparaat of MRI-scanner meestal naar waterstof en dat is er altijd in overvloed, zodat de signalen ervan toch vrij gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd.

Maar het moest beter kunnen. En daarvoor hebben chemici van de universiteiten van Berkeley en Tel Aviv de hulp ingeroepen van andere atomen, namelijk die van rubidium en het edelgas xenon (Science, 29 maart 1996). Hiermee werd een soort estafette opgezet: spin kan namelijk bij een botsing van atoom op atoom worden overgedragen. Eerst werd met behulp van laserlicht de elektronenspin van het rubidium gepolariseerd, waarna door botsingen de kernspins van het xenon werden opgelijnd. Dit gepolariseerde xenon leeft wel een paar minuten en kan dus aan een oplossing worden toegevoegd waarin zich waterstofatomen bevinden. Die krijgen op hun beurt weer een zetje van het xenon, waardoor uiteindelijk hun NMR-signaal wordt versterkt. Een soort drietrapsraket dus.

Voorlopig werd alleen nog maar aangetoond dat de methode in principe werkt in een benzeenoplossing. De onderzoekers zien echter grote mogelijkheden voor het oppeppen van de zwakke signalen van eiwitten, waardoor de structuuropheldering daarvan wel eens een stuk eenvoudiger zou kunnen worden. Maar ook voor MRI-toepassingen kan xenon een uitkomst betekenen. Zo is het tot nog toe bijvoorbeeld onmogelijk om het uiterst poreuze longweefsel of door de longen geïnhaleerd gas in beeld te brengen. Door patiënten eerst een teug (gepolariseerd) xenon te laten nemen zou dat allemaal veel makkelijker worden. Een bijkomend voordeel is dat inademing van xenon een plezierig, enigszins verdovend effect heeft. De verwachting is dus dat er zich meer dan voldoende proefpersonen zullen melden voor de eerste experimenten.