به لطف تیمی از پژوهش‌گران٬ طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) در حال سیار شدن است. این پژوهش‌گران قطعات الکترونیکی لازم برای فناوری طیف‌سنجی را در داخل یک مدار مجتمع به اندازه‌ی دانه‌ی شن٬ کوچک کرده‌اند. تراشه‌ی این تیم که با آهنربای فشرده و مدرن ترکیب شده می‌تواند به قطعات قابل حملی منجر شود که به تشخیص مواد شیمیایی در واکنش‌های آزمایشگاهی و خطوط تولید صنعتی می‌انجامد.

طیف‌سنجی NMR یک فناوری است که به تجسم ساختار شیمایی ترکیبات بی‌شمار کمک می‌کند و به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا اطلاعاتی را از اسپین (ممان‌های مغناطیسی ذاتی)‌ هسته‌های اتمی بدست آورند. وقتی ترکیباتی با هسته‌ی معین (همچون هیدروژن یا ایزوتوپ‌های کربن ۱۳) در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد٬ اسپین‌های هسته‌ای با میدان مغناطیسی  همراستا شده و یا در خلاف جهت آن‌قرار می‌گیرند. اگر پس از آن٬ این هسته‌ها با تابش الکترومغناطیسی- در فرکانسی که بوسیله‌ی شدت میدان مغناطیسی تعیین می‌شود - بمباران شوند٬ جهت‌گیری اسپین‌های هسته‌ای تغییر می‌یابد. بنابراین اندازه‌گیری فرکانس حرکت تقدیمیِ اسپین‌های هسته‌ای در یک نمونه امکان‌پذیر شده و چگونگی ترتیب اتم‌های یک مولکول تعیین می‌شود.

یک تراشه ۴ میلی‌متر مربعی که با یک آهنربای ۰/۵۱ تسلایی ترکیب شده است (در سمت چپ یک پنی برای نشان دادن مقیاس آورده شده است) که یک طیف‌سنج  قابل حمل و جدید را در برمی‌گیرد. این تراشه (سمت راست) یک فرستنده‌ی فرکانس رادیویی٬ یک گیرنده‌ی فرکانس رادیویی و یک ترتیب‌سنج پالسی را تمجیع کرده است.

مینی طیف‌سنجی

هرچند دانش‌مندان از طیف‌سنجی NMR از دهه‌ی ۱۹۵۰ استفاده کرده‌اند اما سخت افزار مورد نیاز برای این کار معمولا حجیم بوده و نیازمند آهنرباهای ابررسانای با مقیاس بزرگ‌تر از انسان است و قطعات الکترونیکی آن به اندازه‌ی یک کابینت آشپزخانه است. اخیراً آهنرباهای دائمی کوچک‌تر که برای NMR مناسب است وارد بازار شده و برخی از قطعات الکترونیکی در داخل تراشه‌های نیم‌رسانا گردآوری شده است. تمامی این امکانات باعث شده تا به سیستم‌های رومیزی دست یابیم که قادرند به کاوش مولکول‌های کوچک بپردازند. هنوز اما یک سیستم مجتمع مینیاتوری با گستره‌ی کاملی از قابیلت‌های طیف‌سنجی NMR توسعه نیافته بود.

اکنون تیمی از دانشگاه هاروارد این کار را انجام داده‌اند. این پژوهش‌گران یک فرستنده‌ و گیرنده‌ی فرکانس رادیویی (RF) را در طول قطعه‌ای موسوم به «ترتیب‌سنج پالس اختیاری» بر روی یک تراشه‌ی سیلیکونی با مساحت سطح ۵ میلی‌متر مربع قرار داده‌اند. سپس تراشه‌ی خود را با یک آهنربای مکعبی‌شکل که اندازه‌ای در حدود یک گریپ‌فروت بزرگ دارد ترکیب کرده‌ و قادر شده‌اند تا به تحلیل انواع مختلفی از قطعات بپردازند. برای انجام چنان تحلیلی نمونه‌ها در داخل یک حفره‌ی کوچک در مرکز آهنربا قرار می گیرد.

به بیان دونهی هام (Donhee Ham) فیزیک‌دان هاروادی که این تیم را رهبری می‌کند٬ پیشرفت اصلی مینیاتورسازی و تجمیع ترتیب‌سنج پالسی باعث می‌شود تا کنترلِ زمان‌بندی٬ شکل‌ها و دامنه‌های پالس‌های رادیویی بر روی قطعه مورد نظر به منظور اندازه‌گیری هدف‌گذاری شود. «ترتیب‌سنج پالسیِ اختیاری٬ مغز کل این تراشه‌ به حساب می‌آید».

اسکنرهای چندبعدی

به بیان هام٬ الکترونیکی که این تیم توسعه داده‌اند بهبود ‌سیستم‌های قابل حمل گذشته به حساب می‌آید؛ سیستم‌هایی که تنها قادر بوده‌اند به تکمیل فناوری‌های NMR ساده‌ای بپردازند که نمی‌توانند ساختارهای مولکولی پیچیده را به شکل کامل حل و فصل کنند. فناوری پیچیده‌تر طیف سنجی NMR «چند بعدی» قادر خواهد بود تا برای کاوش ساختارهایی فراتر از پایه‌ای‌ترین مولکول‌ها٬ بی‌نهایت مفید باشد. با استفاده از ترتیب‌سنج پالسی جدید محققان می‌توانند به گفته‌ی هام: «فرستنده‌ی RF را به طریقی که مطلوب ماست کنترل کنند. از این‌رو این فرستنده قادر است هر دنباله‌ای از پالس‌های RF را تولید کند»؛ چیزی که نیاز طیف‌سنجی NMR چندبعدی است.

علاوه بر اینکه طیف‌سنجی قابل حمل ممکن می‌شود٬ این الکترونیک مینیاتوری می‌تواند با آهنرباهای بزرگ‌تر جفت شده و منجر به افزایش فوق‌العاده سرعت فرآیند NMR گردد. با تجمیع چندین تراشه در داخل یک آهنربای ابرسانا محققان می‌توانند نمونه‌های زیادی را همزمان مورد بررسی قرار دهند به جای آن‌که تنها یک نمونه در یک زمان مورد کاوش قرار گیرد که فرآیندی پرزحمت است. به بیان هام٬ چنان طرح طیف‌سنجی با «توان عملیاتی بالا» می‌تواند کشف داروها را سرعت بخشد.

به گفته‌ی گیوانی بئورو (Giovanni Boero) از موسسه‌ی فناوری فدرال سوئیس در لوزان٬ کار این تیم «گام‌ روبه جلویی را به سمت مینیاتورسازی یک طیف‌سنج NMR کامل نشان می‌دهد». اما بئورو می‌گوید تجمیع ترتیب‌سنج پالسی یک پیشرفت تکنیکی محسوب می‌شود. «این یک مقاله‌ی انقلابی نیست اما کار مهمی است در چارچوب تلاش‌های جهانی به سمت اجرای طیف‌سنجی NMR با استفاده از سیستم کم هزینه و با قابلیت حمل بالا».

این پژوهش در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

گیپریل پوپکین (Gabriel Popkin) نویسنده‌ی علمی در حومه‌ی واشنگتن است.  

منبع: