Chemische verschuiving: de vingerafdruk van moleculen in NMR en MRI
Chemische verschuiving is een piepklein maar veelzeggend verschijnsel uit de kernspinresonantie (NMR), de techniek die ook de basis vormt van de MRI-scanner in ziekenhuizen. Het beschrijft een minuscuul verschil in de frequentie waarop atoomkernen in een molecuul reageren op een sterk magneetveld, veroorzaakt door de elektronen die rond die kern zweven. Vergelijk het met een rij identieke stemvorken die allemaal even hard worden aangeslagen: in theorie zouden ze exact dezelfde toon moeten geven, maar kleine verschillen in het materiaal om elke vork heen zorgen ervoor dat elke vork toch een fractie hoger of lager klinkt. Die verschillen zijn zo consistent dat een gevoelige detector kan afleiden welke vork bij welke omgeving hoort.
In moleculen werkt het net zo. Elk atoom zit in een net iets andere "buurt" van andere atomen en elektronen, en die buurt beïnvloedt hoe de kern van dat atoom reageert op een magneetveld. Door die reactie nauwkeurig te meten, kunnen scheikundigen aflezen welke atomen waar zitten en hoe een molecuul precies in elkaar steekt, zonder het te hoeven vernietigen. Dezelfde onderliggende fysica maakt het ook mogelijk om in een MRI-scan onderscheid te maken tussen bijvoorbeeld vet- en waterweefsel, of om ziektespecifieke stofjes in de hersenen op te sporen.
Wat is het precies?
Om chemische verschuiving te begrijpen, helpt het de onderliggende techniek in stappen te ontleden.
Sommige atoomkernen - waaronder waterstof (¹H), koolstof-13 (¹³C) en stikstof-15 (¹⁵N) - hebben een eigenschap die "spin" heet. Daardoor gedragen ze zich als piepkleine magneetjes. Normaal wijzen die magneetjes alle kanten op, maar in een sterk extern magneetveld, zoals dat van een NMR-apparaat of MRI-scanner, gaan ze zich uitlijnen met dat veld.
Vervolgens wordt een kort pulsje radiogolven op het monster afgevuurd, met precies de juiste frequentie om die kernmagneetjes tijdelijk uit hun uitlijning te kantelen. Zodra de puls stopt, vallen de kernen terug in hun oorspronkelijke stand en zenden daarbij zelf een zwak radiosignaal uit. Dat signaal wordt opgevangen en omgezet in een spectrum: een grafiek met pieken bij bepaalde frequenties.
Hier komt de chemische verschuiving in beeld. De frequentie waarop een kern reageert, hangt niet alleen af van het externe magneetveld, maar ook van de elektronenwolk direct om die kern heen. Elektronen creëren zelf een heel klein tegengesteld magneetveldje, waardoor de kern een fractie wordt "afgeschermd" van het grote externe veld. Zit een waterstofatoom vlak bij een zuurstofatoom, dat elektronen naar zich toe trekt, dan is die afscherming anders dan wanneer datzelfde waterstofatoom aan een eenvoudige koolstofketen vastzit.
Dat verschil in afscherming vertaalt zich in een verschil in resonantiefrequentie: de chemische verschuiving. Om die verschuiving onafhankelijk te maken van de sterkte van het gebruikte magneetveld, wordt hij niet in absolute frequentie uitgedrukt maar als relatief verschil ten opzichte van een standaardstof, in "delen per miljoen" (ppm). Zo levert elk uniek type atoom in een molecuul een eigen piek op een eigen positie in het spectrum op, en samen vormen die pieken een soort vingerafdruk van het hele molecuul.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van het meten van chemische verschuiving is steeds hetzelfde: iets te weten komen over de structuur of samenstelling van materie, zonder die materie te vernietigen of ingrijpend te bewerken.
In de scheikunde en farmacie gebruiken onderzoekers NMR-spectra om de exacte structuur van nieuwe moleculen te bevestigen, essentieel bij de ontwikkeling van medicijnen, waar je zeker moet weten dat je precies de stof hebt gemaakt die je bedoelde. Ook bij het opsporen van verontreinigingen of het controleren van de zuiverheid van een stof is dit onmisbaar.
In de geneeskunde ligt de belofte vooral bij MRI en de verwante techniek MRS (magnetic resonance spectroscopy, magnetische resonantiespectroscopie). Waar een gewone MRI-scan een anatomisch beeld maakt op basis van waterstofkernen in weefsel, kan MRS met behulp van chemische verschuiving specifieke stofjes, metabolieten, in het lichaam zichtbaar maken, bijvoorbeeld in de hersenen. Dat gebeurt zonder radioactieve tracers zoals bij een PET-scan en zonder ioniserende straling zoals bij een CT-scan of röntgenfoto, wat de techniek in principe geschikter maakt voor herhaald gebruik.
Daarnaast wil de industrie chemische verschuiving inzetten voor kwaliteitscontrole en fraudedetectie, denk aan het controleren of wijn of honing is aangelengd, en voor materiaalonderzoek, bijvoorbeeld om te begrijpen wat er precies gebeurt in een batterij terwijl die oplaadt en ontlaadt.
Voorbeelden uit de praktijk
Eiwitstructuren via NMR. De Zwitserse chemicus Kurt Wüthrich ontving in 2002 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn werk aan het bepalen van de driedimensionale structuur van eiwitten in oplossing met NMR-spectroscopie. Zijn methode gebruikte de chemische verschuivingen van talloze atoomkernen in een eiwit om, in combinatie met wiskundige modellen, de precieze vouwing van dat eiwit te reconstrueren, als aanvulling op de al langer bestaande röntgenkristallografie.
Ultrahoogveld-MRI: het Iseult-project. Een Frans-Duits onderzoeksconsortium bouwde bij het CEA NeuroSpin-instituut in Saclay, Frankrijk, een MRI-scanner met een veldsterkte van 11,7 tesla, ruim zeven keer sterker dan een gangbare ziekenhuisscanner van 1,5 tesla. Na jarenlange technische tegenslagen met de supergeleidende magneet werden begin jaren 2020 de eerste hersenbeelden gepubliceerd. Een hoger magneetveld vergroot in principe het onderscheidend vermogen tussen chemische verschuivingen die dicht bij elkaar liggen, wat gedetailleerdere metabole hersenbeelden mogelijk moet maken.
Batterijonderzoek met operando NMR. Onderzoeksgroepen zoals die van chemicus Clare Grey aan de University of Cambridge gebruiken NMR om, terwijl een lithium-ionbatterij daadwerkelijk oplaadt of ontlaadt ("operando"), te volgen hoe lithiumatomen zich verplaatsen en waar ongewenste bijproducten ontstaan die de batterij sneller laten verslijten. De verschuivingen in het spectrum verraden welke chemische omgeving het lithium op een bepaald moment heeft.
Voedselauthenticiteit. NMR-fabrikant Bruker biedt al geruime tijd platforms aan waarmee laboratoria het chemische vingerafdrukspectrum van bijvoorbeeld wijn, honing of olijfolie vergelijken met een database van authentieke producten. Afwijkende chemische verschuivingen kunnen wijzen op versnijding met goedkopere ingrediënten of onjuiste herkomstclaims, en dergelijke methoden worden door voedselautoriteiten als aanvulling op klassieke laboratoriumtests gebruikt.
Draagbare MRI-scanners. Het Amerikaanse bedrijf Hyperfine bracht een compacte, verrijdbare MRI-scanner op de markt die met een veel zwakker magneetveld werkt dan traditionele scanners. Dat maakt de scanner minder gevoelig voor subtiele chemische verschuivingen dan topapparatuur in onderzoekscentra, maar wel inzetbaar aan het ziekenhuisbed, een compromis tussen beeldkwaliteit en toegankelijkheid dat treffend laat zien welke afwegingen in dit veld spelen.
Hoe ver is de techniek?
Kernspinresonantie en het meten van chemische verschuiving zijn geen nieuwe wetenschap. Het fysische principe werd al in 1945-1946 onafhankelijk van elkaar aangetoond door de natuurkundigen Felix Bloch en Edward Purcell, die daarvoor in 1952 de Nobelprijs Natuurkunde kregen. Het concept chemische verschuiving zelf werd kort daarna, eind jaren veertig en begin jaren vijftig, verder uitgewerkt toen bleek dat identieke atoomkernen in verschillende chemische omgevingen net iets andere signalen gaven.
Sindsdien is NMR-spectroscopie uitgegroeid tot standaardgereedschap in vrijwel elk scheikundig laboratorium, en is de medische toepassing, MRI, sinds de jaren tachtig een vast onderdeel van de ziekenhuiszorg. In die zin is de kerntechnologie volwassen.
Het huidige onderzoek richt zich vooral op de randen van wat mogelijk is. Ultrahoogveld-MRI-scanners van 7 tesla en hoger worden ingezet om chemische verschuivingen die normaal te dicht bij elkaar liggen om te onderscheiden, toch apart zichtbaar te maken, nuttig voor onderzoek naar bijvoorbeeld epilepsie of neurodegeneratieve ziekten, al zijn zulke scanners vooralsnog vooral onderzoeksinstrumenten en geen routine-apparatuur. Tegelijk werkt een andere onderzoekslijn juist aan het tegenovergestelde: goedkopere, compactere en energiezuinigere scanners met een zwakker magneetveld, die minder scherp meten maar wel op meer plekken inzetbaar zijn, bijvoorbeeld op de spoedeisende hulp of in regio's met beperkte medische infrastructuur.
Een derde ontwikkeling is hyperpolarisatie: technieken die de van nature zwakke NMR-signalen tijdelijk sterk versterken, waardoor processen die normaal te snel of te zwak zijn om te meten, zoals bepaalde stofwisselingsreacties in levend weefsel, toch zichtbaar worden. Ook wordt kunstmatige intelligentie steeds vaker ingezet om complexe spectra met veel overlappende pieken automatisch te interpreteren, al blijft menselijke controle voorlopig nodig omdat foutieve interpretaties, bijvoorbeeld in medicijnonderzoek, grote gevolgen kunnen hebben.
De belangrijkste obstakels blijven kosten en gevoeligheid. Sterke magneten vergen dure supergeleidende spoelen die gekoeld moeten worden, vaak met vloeibaar helium, een grondstof die schaars en duur is. Daarnaast is NMR van nature een relatief ongevoelige techniek: er zijn veel meer atoomkernen nodig dan bij bijvoorbeeld fluorescentietechnieken om een meetbaar signaal te krijgen, wat het lastig maakt zeer kleine hoeveelheden stof te detecteren.
Wie werken eraan?
De apparatuurmarkt wordt gedomineerd door een klein aantal grote spelers. Het Duits-Amerikaanse Bruker is wereldwijd toonaangevend in NMR-apparatuur voor laboratoria, terwijl de ziekenhuis-MRI-markt grotendeels in handen is van Siemens Healthineers (Duitsland), GE Healthcare (Verenigde Staten) en Philips (Nederland). Nieuwkomer Hyperfine (Verenigde Staten) richt zich specifiek op draagbare, laagveld-MRI.
Op onderzoeksgebied lopen instituten als CEA NeuroSpin in Frankrijk, met het Iseult-project, en in Nederland het Donders Institute in Nijmegen en Scannexus in Maastricht voorop met ultrahoogveld-MRI-faciliteiten. In de Verenigde Staten investeert onder meer de National Institutes of Health (NIH) in vergelijkbaar onderzoek. Op het gebied van batterij- en materiaalonderzoek met NMR is de groep van Clare Grey aan de University of Cambridge internationaal toonaangevend.
Landen die relatief veel investeren in geavanceerde NMR- en MRI-infrastructuur zijn naast de Verenigde Staten en Duitsland ook Frankrijk, Nederland, Zwitserland, met een lange onderzoekstraditie sinds Wüthrichs werk aan de ETH Zürich, en Japan, waar veel fundamenteel werk aan supergeleidende magneten plaatsvindt.