Je leest:

Zes Nobelprijzen voor NMR

Zes Nobelprijzen voor NMR

Auteur: | 1 januari 2007

Dankzij het testament van Alfred Nobel is er sinds 1901 de ultieme prijs voor baanbrekend wetenschappelijk onderzoek. Een onderwerp dat meerdere Nobelprijzen heeft opgeleverd, is de NMR- of MRI-techniek. Goed voor maar liefst zes Nobelprijzen; voor natuurkunde, scheikunde én geneeskunde.

De kleur van chemie

Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Alfred Nobel’ uit de VU-uitgave ‘De kleur van chemie’, een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.

In 1952 was het ontwikkelen van de NMR-techniek goed voor het uitreiken van een Nobelprijs voor Natuurkunde aan de Amerikanen Felix Bloch en Edward Purcell. In 1991 en in 2002 kregen respectievelijk Richard Ernst en Kurt Wüthrich, allebei Zwitsers, de Nobelprijs voor Scheikunde. Zij hadden de techniek voor scheikundig onderzoek geschikt gemaakt. In 2003 kregen de Amerikanen Paul Lauterbur en Peter Mansfield de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde voor hun toepassing van NMR in de medische wereld.

Tollende protonen

Bij NMR draait het – lettterlijk – om protonen (meestal het proton dat de kern vormt van een waterstofatoom). Protonen draaien als een tol om hun eigen as. Normaal gaat dat willekeurig: het draaiende proton kan alle kanten op buitelen. Maar als er een magneet in de buurt is, dan is dat niet meer zo. Dan draait het proton rechtsom of linksom, andere mogelijkheden zijn er niet meer.

Omdat een proton een lading heeft, zorgt een rondtollend proton zelf voor een magneetveld, net als een spoel van een elektromagneet. In feite is de rondtollende waterstofkern dus een klein magneetje. Als er een sterke magneet in de buurt is, zal dat kernmagneetje zich of met het magneetveld mee richten, of precies ertegenin – afhankelijk van zijn draairichting.

Nu bestaat er tussen die twee mogelijkheden een heel klein energieverschil, en de meeste kernen zullen de laagste energie kiezen. Bij de NMR-techniek maakt de onderzoeker gebruik van dat kleine energieverschil. Als er de protonen bestraald worden met straling die precies dezelfde energie heeft als het kleine energieverschil tussen links- of rechtsom draaiende protonen, zal een deel van die straling opgenomen worden door protonen die daarmee plotseling de andere kant op gaan draaien.

Natuurkundigen spreken in dit geval van resonantie. Vandaar de fraaie naam van de techniek: Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, kortweg NMR. Dat er tijdens dat resoneren straling wordt geabsorbeerd is te meten, en die meting is de kern van de NMR-techniek.

Tollen en spinnen

De Nederlandse benaming voor Nuclear Magnetic Resonance is kernspinresonantiespectroscopie. Van de tollende protonen wordt gezegd dat ze over ‘spin’ beschikken. In het Engels heeft to spin de betekenis “tollen, om zijn as draaien”. Het Nederlandse woord spinnewiel is daar trouwens ook aan gerelateerd – de wollen draad wordt gevormd doordat de wol almaar om de eigen as in elkaar wordt gedraaid. Overigens heeft ‘spin’ in de kwantummechanica niets te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as; ‘spin’ is een intrinsiek kwantummechanische grootheid die niet met de klassieke mechanica te beschrijven is. Alleen voor een globaal basisbegrip is een vergelijking met draaiende geladen deeltjes zinvol.

NMR in de reageerbuis

Scheikundigen hadden al snel door dat de NMR-methode erg handig was. Vooral in koolstofverbindingen zitten vaak veel waterstofatomen, en die zijn in principe met NMR te meten. De resonantie hangt af van de sterkte van de magneet en de golflengte van de gebruikte straling.

De toepassing in de scheikunde werd mogelijk toen onderzoekers ontdekten dat allerlei atoomgroepen in een molecuul het sterke magneetveld van buiten een beetje kunnen tegenwerken. En dat resonantie van de waterstofatomen dus steeds bij een iets andere golflengte van de straling gebeurt, afhankelijk van waar het te meten waterstofatoom in een molecuul zit.

Aan deze twee NMR-spectra is duidelijk te zien dat er een verschil is tussen het signaal van waterstofatomen aan een methylgroep (a) en een benzeenring (b). Uit een NMR-spectrum is soms snel de structuurformule van een stof af te leiden.

Het grote voordeel van NMR is dat de gemeten stof onveranderd en onbeschadigd uit de meting komt. Het nadeel is dat de techniek nogal ongevoelig is. De gebruikte straling is zeer energiearme radiostraling, en je moet vrij lang meten voordat je genoeg informatie hebt.

NMR wordt MRI

Dat de straling die voor NMR gebruikt wordt zeer energiearme en dus onschadelijke radiostraling is, maakt het ook voor metingen in het ziekenhuis interessant. Het kostte wel even wat moeite om de sterke magneet zo te maken dat er een mens in paste, in plaats van een reageerbuisje. Verder interesseert het medici niet in welke atoomgroepen de waterstof zit, maar hoeveel waterstofatomen ergens in een weefsel zitten. Botweefsel bevat veel minder waterstof dan bloed, en eiwit ook relatief weinig. Meting van de hoeveelheid waterstof zegt dus iets over het soort weefsel.

Om menselijke waterstofatomen te kunnen meten, levert het MRI-apparaat steeds een korte radiopuls. Veel waterstofatomen absorberen die energie om van spinrichting te kunnen veranderen. De meting zelf begint pas daarna. Want waterstofatomen die door de straling zijn omgeklapt zullen weer terugdraaien, en daarbij precies de opgenomen radiostraling weer uitzenden. Dan is het lichaam dus een radiozender geworden. Die uitzending wordt door een computer opgevangen en opgeslagen.

Het probleem is vervolgens om te bepalen waar de opgevangen radiostraling precies vandaan komt. Van langgolvige radiostraling is de bron namelijk vrijwel niet op te sporen. De oplossing was terecht een Nobelprijs waard: pas de magneet zo aan, dat overal in het meetveld (het lichaam dus) een iets andere magneetsterkte heerst. Daardoor heeft de door het lichaam uitgezonden radiostraling overal een iets andere golflengte. Zo verraadt de golflengte van het opgewerkte radiosignaal direct de plaats waar de straling vandaan komt.

De meting levert dan ook geen grafiek of spectrum op, maar een ruimtelijk beeld van een lichaam, waarop te zien is welk soort weefsel waar zit. De naam van de methode is daar aan aangepast. De techniek heet in het ziekenhuis MRI, Magnetic Resonance Imaging. In vrijwel elk ziekenhuis is MRI inmiddels een standaardtechniek.

Vrije Universiteit Amsterdam

Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.

Alle Kennislinkartikelen uit het hoofdstuk ‘Alfred Nobel’:

Dit artikel is een publicatie van VU Amsterdam, Faculteit der Exacte Wetenschappen.
© VU Amsterdam, Faculteit der Exacte Wetenschappen, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.