Российские учёные захватили водород в молекулярный пинцет

   28.02.14 Σ Шабельский Алексей
   Совместный российско-финский коллектив исследователей разработал новый способ поляризации ядер с помощью параводорода (т.н. индуцированная параводородом поляризации ядер, ИППЯ). Методика позволяет в итоге увеличить чувствительность методов ядерного магнитного резонанса и может способствовать созданию новых методов проведения МРТ-диагностики. Их работа опубликована в престижном международном журнале JACS.
   Справка STRF.ru:
   Параводород – это особое квантовое состояние водорода. Обычный Н₂ состоит из смеси спиновых изомеров – орто- и параводорода. У параводорода ядерные спины направлены противоположно друг другу, у ортоводорода – сонаправлены. При комнатной температуре состав водорода – примерно 75% ортоводорода, 25% параводорода. При охлаждении до 20 K в присутствии катализатора можно получить практически чистый параводород. Любопытно, что процесс превращения одного изомера в другой достаточно энергозатратен. Так, если быстро провести сжижение водорода, а потом конверсию орто в пара, то может выкипеть почти половина сжиженного газа
  

   Владимир Живонитко: «Применение параводорода для увеличения чувствительности является очень динамично развивающимся направлением в магнитном резонансе»
  
   Учёные из Сибирского отделения РАН совместно с финскими исследователями впервые применили неметаллические катализаторы типа «молекулярный пинцет» для поляризации ядер водорода. Ранее без металлов обойтись было невозможно.
   С помощью эффекта поляризации водорода учёные могут увеличивать чувствительность такого широко распространенного метода анализа, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЯМР обладает очень большими возможностями для его применения в современной химии и биологии, но ему, к сожалению, присущ существенный недостаток, который сильно ограничивает его использование – низкая чувствительность метода. С помощью ИППЯ можно повысить чувствительность, и соответственно расширить сферу применения приложений ЯМР и МРТ.
   «Применение параводорода для увеличения чувствительности является очень динамично развивающимся направлением в магнитном резонансе. С каждым годом в эту сферу вовлекается всё больше исследовательских групп.

Стоит отметить, что Россия занимает здесь прочные, а во многих аспектах лидирующие позиции в мире», – рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник Международного томографического центра СО РАН Владимир Живонитко. – «В своей работе мы использовали соединения, не содержащие металлов, способные обратимо схватывать молекулы водорода, проявляя тем самым свойства молекулярных пинцетов. Нам удалось показать, что в результате молекулярного захвата параводорода пинцетами, возникает поляризация ядерных спинов схваченной молекулы H₂. <…> Поляризация ядерных спинов, при этом, проявляется в спектрах ядерного магнитного резонанса в виде усиленных в несколько десятков раз сигналов ЯМР».
   Результаты данной работы имеют в большей мере фундаментальное значение, но в перспективе могут приобрести и прикладное. В фундаментальном плане, авторы впервые показали, что молекулярные пинцеты активируют молекулы водорода парным образом, что и приводит к наблюдению поляризации ядер.
   В прикладном плане, помимо уже упомянутого повышения чувствительности ЯМР, результаты могут использоваться при создании специфических меток, чувствительных к параводороду. На их основе возможно создание принципиально новых высокоселективных способов осуществления контраста, например, в МРТ приложениях.
   «В планах у нас детальное изучение механизма активации водорода неметаллическими соединениями и катализаторами с использованием параводорода, механизма формирования поляризации ядер, – говорит Живонитко. – В аспекте экспериментальных исследований перспективы тут самые разнообразные, так как по сути дела мы в начале пути, нужно ещё многое изучить. Надеемся также, что наши исследования приведут к созданию новых эффективных подходов в ЯМР для существенного повышения чувствительности в его приложениях».
   Источник информации: V.V. Zhivonitko, V.V. Telkki, K. Chernichenko, T. Repo, etc. Tweezers for parahydrogen: a metal-free probe of nonequilibrium nuclear spin States of H₂ molecules. Journal Am. Chem. Soc. 2014. No. 136(2). Pp. 598-601. (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja410396g)