Optinen rotaatio tarjoaa uuden menetelmän ydinmagneettisen resonanssin (NMR) havaitsemiseen

07.10.2010

NMR on yksi laajimmin käytetyistä menetelmistä erilaisten materiaalien ja niiden ominaisuuksien karakterisoinnissa. Tuoreessa tutkimuksessa on ehdotettu, että NMR-menetelmän herkkyyttä ja saatavan signaalin avaruusresoluutiota voidaan merkittävästi lisätä optisella detektoinnilla, kohdistamalla näytteeseen ympyrä- tai lineaarisesti polaroitua laservaloa. Helsingin ja Oulun yliopiston tutkijat ovat kehittäneet teorian magneettisten ytimien aiheuttamalle optiselle rotaatiolle (nuclear spin optical rotation, NSOR). First principles –elektronirakennelaskut paljastivat erisuuruisen optisen kemiallisen siirtymän erilaisissa kemiallisissa ympäristöissä sijaitseville ytimille. Löytö tarjoaa käyttökelpoisen vaihtoehdon tavanomaiselle, magneettista havaitsemista hyödyntävälle NMR-spektroskopialle.

Faradayn ilmiön mukaisesti spinpolaroitujen ytimien tuottama magneettikenttä kiertää lineaarisesti polarisoidun valon polarisaatiotasoa. Rotaatiokulman  tulisi olla selvästi erilainen erilaisissa kemiallisissa ympäristöissä oleville ytimille, jotta se tarjoaisi mahdollisuuden tutkia molekyylien rakenteita. Helsingin yliopiston Molekyylimagnetismin tutkimusryhmän ja Oulun yliopiston NMR-tutkimusryhmän yhteisjulkaisussa osoitettiin tällaisien kemiallisten siirtymien olemassaolo paitsi eri molekyylien välillä, myös samassa molekyylissä olevien, ytimen erilaisten ympäristöjen välillä.

Elektronirakennelaskuilla saavutettiin vesimolekyylin protonin NSOR:n tapauksessa kvantitatiivinen yhteensopivuus aiempien, uraauurtavien koetulosten kanssa. Veden 17O-ytimelle ennustettiin tätä huomattavasti suurempi signaali. Ilmiön suuruus kasvaa monella kertaluokalla, kun käytettävän laserin taajuus lähenee optista resonanssia. Silmän valoherkän molekyylin, retinaalin mallille havaittiin lähellä optista resonanssia olevien lasertaajuuksien lisäävän eri kromoforeissa (tietyille aallonpituuksille herkissä molekyylin osissa) olevien ytimien kemiallista erottuvuutta. Teoreettiset ennusteet ovat rohkaisevia ilmiön kokeellisen jatkotutkimuksen kannalta.

Laskennallisesti mittavat, 128 rinnakkaisprosessin kvadraattisen vasteen tiheysfunktionaaliteorialaskut (density functional theory, DFT) suoritettiin sekä CSC:n suurteholaskentaresursseja että Helsingissä ja Oulussa sijaitsevia paikallisia Linux-klustereita käyttäen.

Tutkimusta suorittava ryhmä, johon kuuluivat FM Suvi Ikäläinen, dosentti, akatemiatutkija Perttu Lantto ja prof. Juha Vaara, teki yhteistyötä alan kokeellisen pioneerin, Princetonin yliopiston Prof. Michael V. Romalisin kanssa. Tutkimus suoritettiin Suomen Akatemian rahoittamassa kansallisessa Laskennallisen molekyylitutkimuksen huippuyksikössä.

Lisätietoja:

Prof. Juha Vaara, sähköposti:  juha.vaara at oulu.fi, puh. +358 8 553 1343

S. Ikäläinen, M. V. Romalis, P. Lantto, and J. Vaara:
Chemical distinction by nuclear spin optical rotation,
Physical Review Letters 105, 153001 (2010).

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.