Спектры
Для большинства из нас спектры - диковинные графики вроде каракулей или горбов, какие попадаются в научных статьях в разделе «Результаты». Однако ученый глаз видит в этих узорах затейливые подробности о молекулярном составе того или иного вещества. Один из методов получения таких картинок еще и ключевой способ диагностики рака - речь об МРТ.
Человеку с опухолью в мозге, пришедшему делать МРТ (магнитно-резонансную томографию), велят лечь внутрь машины, оборудованной мощным магнитом. Получаемая при этом картинка позволяет разглядеть опухоль на фоне прилегающих тканей, и на основании такого снимка врачи будут решать, оперировать или нет. МРТ, иными словами, влезает пациенту в голову, не причиняя ему никаких страданий или ущерба. Нужно просто лежать смирно, чтобы картинка не смазалась.
Безопасность МРТ время от времени приходится специально подчеркивать. А все из-за того, что эта методика — прямой потомок ядерной МРТ, а все, к чему добавляют «ядерный», людей по понятным причинам нервирует. Действие и МР-томографии, и ЯМР-томографии основано на естественном свойстве некоторых атомов: их ядра ведут себя наподобие крохотных магнитов. Приложением мощного магнитного поля такие ядра меняют поведение. С помощью радиоизлучения можно следить за этими переменами в поведении, и машина ЯМРТ способна извлекать информацию об окружении этих ядер, а МРТ — о мозге пациента.
От ЯМР к МРТ
Пол Лотербур [Лотербёр], химик, сыгравший столь важную роль в развитии МРТ и получивший за это Нобелевскую премию 2003 года, изначально был специалистом в ЯМР. Он обучился этой методике в лабораториях Института Меллона еще в 1950-х, в аспирантуре, и продолжил работать над ней в Вооруженных силах США, хоть и недолго. Говорят, он был единственным человеком, знавшим, как обращаться с единственным новеньким аппаратом ЯМР в Военном химическом центре. Примерно в те поры «Вариан Ассошиэйтс» разработали первую коммерческую ЯМР-установку — «Вариан А-60». Вскоре ее начали куда шире применять в медицине. Чаще всего получают ЯМР-спектр водорода, который есть в воде, а значит — и в плазме крови, и в живых клетках. Ядра водорода действуют как магниты, и методом ЯМР получается отображение головы пациента. В 1971 году Лотербура заинтересовало одно исследование раковых клеток, которое вел некий врач. Состав воды в раковой клетке отличается от здоровой, и Реймонд Дамадьян показал, что с помощью ЯМР можно различать пораженные и здоровые клетки, хотя исследования он проводил на крысах, и приходилось жертвовать этими зверьками ради получения спектрограмм. Лотербур не только понял, как превратить спектральные данные в картинку (хоть поначалу и размытую), но и нашел способ, как делать томограмму, не уронив ни волоса с головы пациента.
«До возникновения ямр... [химику] на определение устройства молекулы приходилось тратить целые месяцы, а то и годы» Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984), британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, цитата 1963 года
Ко времени присуждения Лотербуру Нобелевской премии в 2003 году человечество знало ЯМР уже четверть века, и этот метод стал одним из важнейших аналитических подходов в химических лабораториях по всему миру. Водород присутствует в атомах любого органического вещества, и в ЯМР-спектрах у протонов есть характеристические пики, соответствующие ядрам водорода в различных окружениях, то есть рисунок на спектрограмме зависит от организации связей водорода с другими атомами в молекуле. Химику-органику это расположение много чего сообщает об устройстве этой молекулы, и такие сведения можно применять к анализу структур новых веществ или идентификации уже известных.
Чтение пиков
ЯМР-спектр молекулы образует узор — химический «автограф», помогающий опознать то или иное вещество. Но есть и другие виды этих самых отпечатков, и, подобно ЯМР-спектру, толковать их можно, зная положение характеристических волн или пиков в спектрах различных веществ. В масс-спектрометрии разные пики соответствуют разным фрагментам молекулы — ионам, получающимся, если пучком электронов высокой интенсивности разломать молекулу на части. Положение пика внутри спектра указывает на массу того или иного фрагмента, а высота пика — на количество таких фрагментов. Это позволяет исследователям определять составляющие неведомого вещества, а разобравшись, как они друг к другу крепятся, — устройство и всей молекулы.
ИК-спектроскопия
Еще одна важная аналитическая методика — инфракрасная (ИК) спектроскопия; в ней применяют ИК-излучение, которое усиливает колебательную активность связей между атомами. Разные химические связи колеблются по-разному, и ИК-спектр — это набор пиков, соотносимых с отдельными связями. Связь О-Н в спиртах, например, выдает особые спектральные пики, хотя картинку могут усложнять колебания находящихся рядом связей и наложение пиков друг на друга. Как и в других спектрах, в ИК вырисовывается молекулярный «автограф»; имея должный опыт, можно разобраться в нем и понять, что перед нами за вещество.
Все эти методы идентификации применяют не только химики, перепутавшие пробирки. Их можно использовать для слежения за химическими реакциями и достаточно точной идентификации больших биомолекул: метод позволяет засечь даже одну аминокислоту в длинной белковой цепочке. Масс-спектрометрию широко применяют в разработке и тестировании лекарств, в анализе крови новорожденных и при выявлении примесей в пищевых продуктах.
Младенческий анализ
Масс-спектрометрия - одна из методик, применяемых для анализа веществ в крови новорожденных: с ее помощью засекают вещества, которые могут быть признаком возможных заболеваний. К примеру, высокое содержание аминокислоты цитруллина может означать, что у ребенка врожденная цитруллинемия, при которой в крови накапливаются яды, что приводит к рвоте, судорогам и отставанию в росте. Цитруллин вовлечен в процессы метаболизма, а еще он яркий биомаркер ревматоидного артрита. Цитруллинемия - редкое, но смертельно опасное заболевание, если сразу его не лечить. Масс-спектрометрия - точный аналитический метод, он помогает одновременно выявить сразу несколько веществ, то есть одного образца крови достаточно для определения множества заболеваний разом.
Спектральный скандал
В химии доказательство, что реакция действительно произошла, часто опирается на ЯМР-спектры продуктов реакции. От этого доказательства может зависеть, опубликуют вашу статью или нет. При подобных высоких ставках найдутся люди, готовые мухлевать с результатами и таким образом подкреплять свою точку зрения. В 2005 году у Бенгу Сезен, химика из Колумбийского университета США, отвергли несколько научных работ, после того как выяснилось, что она вклеила в ЯМР-спектрограммы пики, подтверждающие нужные ей результаты.