Uusi ultranopea NMR-menetelmä molekyylien vaihdon tutkimiseen
Oulun yliopiston NMR-spektroskopian tutkimusyksikkö on kehittänyt ultranopean NMR-menetelmän, jolla molekyylien vaihdon havaitsemista voidaan nopeuttaa jopa 10 000-kertaisesti. Menetelmää hyödynnetään ilmastonmuutoksen tutkimuksessa ilmakehän aerosolien koostumuksen ymmärtämiseen yhteistyössä Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikön kanssa.
Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia, NMR-spektroskopia, on eräs monipuolisimmista spektroskooppisista menetelmistä. NMR-spektrit ovat ikään kuin molekyylien sormenjälkiä. Menetelmä tarjoaa yksityiskohtaista tietoa molekyylien liikkeestä ja niiden paikoista. NMR-ilmiön tunnetuin sovellus on lääketieteessä laajasti käytettävä magneettikuvausmenetelmä.
Molekyylien vaihtoilmiöitä voidaan tutkia niin kutsutun diffuusiovaihtospektroskopian (DEXSY) avulla. Menetelmä perustuu siihen, että molekyylin vaihtaessa ympäristöään sen lämpöliikkeen suuruutta kuvaava diffuusiokerroin muuttuu.
Perinteinen DEXSY-koe on kuitenkin hyvin hidas, koska moniulotteisen datan jokainen piste pitää kerätä erillisellä mittauksella. Perustuen moniulotteisen datan avaruudelliseen koodaukseen NMR-tutkimusyksikkö on kehittänyt ultranopean DEXSY-kokeen, jonka avulla koko data pystyttiin keräämään yhdellä mittauksella.
Menetelmää hyödynnettiin ilmakehän aerosoleissa havaittavien pinta-aktiivisten aineiden tutkimisessa. Tutkimuksessa havaittiin, että pinta-aktiiviset aineet muodostavat nanovesikkeleitä, jotka koteloivat vesimolekyylejä. Menetelmän avulla pystyttiin määrittämään, kuinka nopeasti vesimolekyylit siirtyivät vesikkeleiden sisältä niiden ulkopuolelle. Pinta-aktiivisten aineiden muodostamilla rakenteilla voi olla merkittävä vaikutus pilvipisaroiden pintajännitykseen ja sitä kautta ilmastomalleihin.
Tutkimus julkaistiin arvovaltaisessa Nature Communications -lehdessä. Tutkimus liittyy Euroopan tutkimusneuvoston tukemiin projekteihin Ultrafast Laplace NMR, 2,6 M€, vastuullinen tutkija: prof. Ville-Veikko Telkki, ja SURFACE, 1,5 M€, vastuullinen tutkija: yliopistotutkija Nønne Prisle.
Artikkeli:
Otto Mankinen, Vladimir V. Zhivonitko, Anne Selent, Sarah Mailhiot, Sanna Komulainen, Nønne L. Prisle, Susanna Ahola ja Ville-Veikko Telkki: Ultrafast Diffusion Exchange Nuclear Magnetic Resonance. Nature Communications, 11, 3251 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17079-7