Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Я скоро тоже наступлю на эти грабли, но должен сказать вот что: порой мне кажется, что умение заставить эти аппараты работать и производство их в больших количествах на заводах так же поразительно, как и лежащая в основе их работы наука. Я согласен, что для многих людей важнее принципы, стоящие за этой технологией. Любому понятно, что здоровенные блоки, окружающие эти аппараты, не пусты, а заполнены «электроникой»; гораздо важнее понимать, что слово «ядерный» в названии «ядерный магнитный резонанс» не подразумевает никакой радиоактивности или наличия ионизирующего излучения. Однако для химика, работающего за пультом управления ЯМР-спектрометром, понимание электротехники может быть важнее, чем знание деталей квантовой механики с применением операторной алгебры и уравнений Блоха, хотя в научном сообществе последнее считается гораздо более престижным.

Так что же на самом деле происходит внутри аппарата МРТ? Примерно в конце 30-х годов физики обнаружили, что ядра некоторых изотопов – например, привычный изотоп водорода 1Н и очень редкий изотоп углерода 13С – ведут себя как крошечные магниты. Они решили измерить силу этих магнитов (их «магнитный момент») при помощи больших электромагнитов, но, поскольку существует фиксированное количество изотопов, вскоре все магнитные моменты ядер были каталогизированы, и к концу 40-х годов эта глава была дописана – по крайней мере, так думали ученые.

А потом кто-то осознал, что магнитное поле вокруг ядра – это не совсем то же самое, что поле, которое вырабатывали электромагниты, использованные для измерений. Его немного видоизменяют расположенные вокруг ядра электроны, которые имеют свои собственные крошечные магнитные моменты, связанные с их спином. Поскольку некоторые из них участвуют в образовании химических связей или даже переходят в другой атом, образуя ион, это еще сильнее модулирует магнитное поле. В результате слегка изменяется энергия, требующаяся для переключения маленьких ядерных магнитов из положения, когда они указывают в направлении внешнего поля (совсем как стрелка компаса указывает направление магнитного поля Земли), в положение, когда они указывают в противоположном направлении. Это изменение влияет лишь на пятый после запятой знак десятичной дроби, выражающей радиочастоту волн, которые мы направляем на вещество (или пациента) и обеспечиваем тем самым необходимую энергию. Однако этого достаточно – при условии хорошей работы инженеров, – чтобы сделать сигналы атомов водорода при атоме кислорода в воде отличными от сигналов атомов водорода, связанных с атомами углерода в белке.

В центре квантовой механики [264] Термин «квантовый» обозначает существование отдельных энергетических уровней, подобных ступеням стремянки, а не просто любых значений энергии. находится идея существования отдельных энергетических уровней, таких как для ядра водорода лишь с двумя доступными ему опциями – теми, что мы, используя не самую удачную аналогию с миром больших твердых тел, называем «положительным спином» и «отрицательным спином». Забудьте принцип неопределенности Гейзенберга и знаменитое возражение Эйнштейна («Бог не играет в кости»), направленное на отдельные части квантовой теории: без квантования уровней энергии мы бы не смогли наблюдать опухоль мозга у Элизабет Тейлор да и вообще что бы то ни было. Существование зеленого, синего и красного цветов – это тоже эффект из области квантовой механики. Мир был бы серым, если бы уровни энергии атомов и молекул не были квантованы, принимая дискретные значения, а не образуя непрерывные полосы: именно эта их структура дает нам возможность видеть отчетливые цвета, а не просто оттенки серого.

Химики используют ЯМР для подтверждения результатов синтеза активных ингредиентов в противовирусных препаратах вроде тамифлю или в аспирине, приготавливая раствор вещества и убеждаясь, что в спектре есть все нужные сигналы как для изотопа 1Н, так и для изотопа 13С. Именно так работают специалисты в области органического синтеза и медицинской химии, когда анализируют многообещающие новые молекулы, выделенные из природных источников, их синтетические модификации, а также совершенно новые искусственные соединения.

Чтобы рассмотреть опухоль в мозге, нам нужно применить эту технику немного иным образом. При определенной силе магнитного поля молекулам воды, присутствующим во всех частях нашего тела, потребуется конкретная энергия, радиоимпульс, чтобы перейти на более высокий квантовый уровень. Это называется энергией резонанса, а детектируем мы уже тот радиосигнал, который ядра посылают, спускаясь обратно к подножию горы. Чем сильнее этот сигнал, тем больше в теле молекул воды.

Уловка, которую используют в аппарате МРТ, заключается в том, чтобы создать разное магнитное поле [265] Эти поля генерируют при помощи охлажденных гелием сверхпроводников; вот еще одна причина не покупать детям воздушные шарики с гелием! для каждой части тела. Представьте, что тело делят на крошечные кубики, в каждом из которых свое магнитное поле. Каждый кубик отправит нам особый радиосигнал, и сила этого сигнала покажет нам, сколько воды содержится в этом кубике. А вот и неожиданный поворот: все органы, а также все опухоли обладают немного разной концентрацией воды, так что изображение, которое мы можем построить (при условии, что мы можем отслеживать силу магнитного поля в каждом кубике), покажет нам внутреннее устройство тела.

Кажется, что все это очень далеко от южной части периодической таблицы, где мы найдем элемент гадолиний, почти неизвестный вне круга химиков-неоргаников и, как выясняется, специалистов в области МРТ. В таких сложных устройствах есть несколько вариантов, где может обнаружиться какой-то экзотический элемент: в полупроводниках, магнитах, детекторах радиоволн, аналогово-цифровых преобразователях. Но, как ни удивительно, этот довольно токсичный металл выступает в роли контрастного агента – вещества, которое делает изображения наших внутренних органов, особенно мозга, гораздо более четкими, благодаря чему врачам легче их расшифровывать.

Если вам не повезло и у вас были серьезные проблемы с гастроскопией, то вам, возможно, делали обычный рентгеновский снимок, которому предшествовал прием внутрь бария, а точнее, нерастворимого сульфата бария. Атомы бария поглощают фотоны рентгеновских лучей и не дают им ударяться о фотографическую пленку (либо, как в наши дни, о специальную пластину, которую мы коротко упомянули в главе 7); таким образом получаются более четкие черно-белые изображения кишечника. Казалось бы, ионы гадолиния тоже должны поглощать радиоволны, но барий и гадолиний работают совершенно по-разному, хотя функция у них одна: усилить контраст между органами, в которых присутствует вещество, и окружающими их тканями.