Tiivistelmä. NMR-spektroskopia tarjoaa työkaluja erilaisten materiaalien rakenteen tutkimiseen. Erityisesti menetelmän hyödyllisyys ilmenee biologisten materiaalien tutkimuksessa, sillä spektrometreissä käytettyelektromagneettinen säteilytoimii radiotaajuudella. Näin ollen tutkittavaa kohdetta voidaan takastella pitkienkin mittausaikojen puitteissa ilman säteilyhaittaa. NMR-spektroskopiasta saadut signaalit ovat kuitenkin suhteellisen heikkoja. Näiden signaalien vahvuus määräytyytutkittavan kohteen nettomagnetisaatiosta, joka taas puolestaan juontuu kvanttimekaanisesta ilmiöstä nimeltä spin.
Kuten sähkövaraus ja massa, yksi luonnon perustavanlaatuisista ominaisuuksista on spin. Spin on kvanttimekaaninen ilmiö, jota voidaan ajatella analogiana klassisen mekaniikan kuvaukseen hyrrästä, joka pyörii akselinsa ympäri. Tämän pyörimissuunnan kulmaliikemäärä suuntautuu pyörimistasosta ylöspäin tai alaspäin. Yksittäisetparittomathiukkaset, kuten protonit, neutronitja elektronit omaavat kukin spinin arvon 1/2. Useamman nukleonin muodostaman atomiytimenkokonaisspin muodostuu parittomien nukleonien spinien määräämänä. Nollasta eroavat ytimet ovat NMR-aktiivisia ja niillä on täten myös spinimpulssimomentti, joka on kvantittunut vektorisuure. Spinimpulssimomentti aiheuttaa ytimelle magneettisen dipolimomentin.
Kun magneettisen dipolimomentin omaava ydin asetetaan ulkoiseen magneettikenttään, siihen kohdistuu vääntömomentti, joka pyrkii kääntämään ytimen orientaatiota kentässä. Tämä tunnetaan Zeeman-ilmiönä. Näistä orientaatioista johtuen osa ytimistä on korkeampienergisissa tiloissa kuin toiset ytimet. Tämä havaitaan ytimienenergiatasojen eroina, joiden välillä ytimet voivat siirtyä vastaanottamalla tai emittoimalla fotonin, jonka taajuus vastaa näiden energiatasojen eroa.
Ulkoisessa magneettikentässä ydin pyrkii orientoitumaan ennemmin magneettiselta momentiltaan ennemmin kentän suuntaisesti, kuin sitä vastaan. Normaalissa huoneenlämmössä terminen energia on kuitenkin niin suurta, että se riittää sekoittamaan magneettisten momenttien orientaatioita. Näiden ilmiöiden yhteisvaikutuksena tutkittavassa kohteessa havaitaan niin kutsuttu makroskooppinen ydinmagnetoituma. Tämä magnetoituma on vektorisuure, joka johtuu edellämainittujen magneettisten momenttien orientaatioiden miehityseroista. Miehityserot ovat kuitenkin hyvinpieniä, normaalisti vain muutama ydin miljoonasta.
Havaittu NMR-signaali on suoraan verrannollinen tutkittavan näytteen spin-tilojen eroille. Näiden tilojen miehityseroa voidaan kasvattaa tietyillä menetelmillä, jota yleisesti kutsutaan hyperpolarisaatioksi. Yksi näistä menetelmistäon spin-exchange optical pumping (SEOP). SEOP tarjoaa tehokkaan jalokaasujen ydinten spin-polarisaation hyödyntämällä kaasuvaiheentörmäyksissä tapahtuvaa spin-siirtoa alkalimetallin atomien kanssa. Ennen törmäyksiä, alkalimetallin elektronienspin-tilojensiirtymiä indusoidaan pumppaamalla niitä jatkuvalla ympyräpolarisodulla valolla. Tämä aiheuttaa alkalimetallin atomien spin-polarisaation, joka puolestaan voidaan siirtää jalokaasunytimille törmäystapahtumissa.
Spin-polarisaation siirtoa voidaan simuloida laskennallisesti hyödyntämällä multiskaalan simulaatiota, joka yhdistää molekyylidynamiikan, kvanttikemian ja spin-dynamiikan. Atomien liikeratoja ajan funktiona simuloidaan molekyylidynamiikalla, jonka jälkeen kvanttikemian laskuista saatavilla spin Hamiltonin parametreilla voidaanspin-dynamiikalla propagoida haluttua spin-systeemiä ajassaeteenpäin. Tutustumme tässä katsauksessa kuitenkin tarkemmin vain spin-dynamiikkaan.
Spin Hamiton on efektiivinen energialauseke, joka koostuu kaikista systeemiin vuorovaikuttavista voimista, oli ne sitten sisäisiä tai ulkoisia. Spin Hamilton sisältää operaattoreitaesimerkiksielektroni-ja ydin-spineille, ulkoiselle magneettikentälle sekä ylihienon kytkennän vuorovaikutukselle, joista osa esiintyy lausekkeessa eksplisiittisesti ja osa implisiittisesti. Ajassa propagointi saavutetaan numeerisesti ratkaisemalla Liouville-von Neumann yhtälöä. Merkitsevä tulos tämän katsauksen kannalta on propagoidusta spin-systeemistä saatava yksittäisten alkalimetalli-jalokaasu törmäysten välillä tapahtuva spin-polarisaation siirto, joka saadaan ottamalla niin sanottu jälki (trace). Näin menetellen,voidaan kaasuvaiheen törmäyksissä tapahtuvaa spin-polarisaation siirtoasimuloida laskennallisesti.
Ytimien spinit ovat oleellisesti yhteydessä NMR-spektroskopiaan. NMR-signaalin voimakkuus määräytyy tutkittavan näytteen nettomagnetisaatiosta, joka juontuu näytteen ytimien spin-tilojen miehityseroista. Näitä spin-tilojen eroja voidaan manipuloida tietyillä menetelmillä. SEOP on yksi tällä hetkellä oleellisista hyperpolarisaatio-menetelmistä, jota käytetään laaja-alaisesti lääketieteessä sekä materiaalitekniikassa. SEOP-menetelmää voidaan kuitenkin mahdollisesti vielä optimoida kaasun paineen, lämpötilan ja komposition suhteen. Tarkoitusperä tässä tutkimuksessaon mahdollistaa kvantitatiivinen polarisaation siirron analysointi, jonka tuloksena voi olla edellä mainittu SEOP-menetelmän optimointi
