Magic angle spinning: hoe je vaste stoffen ‘vloeibaar’ laat lijken voor de scanner
Stel je voor dat je een foto probeert te maken van een draaiende ventilator: sta je stil, dan wordt alles een wazige vlek. Iets vergelijkbaars gebeurt wanneer natuurkundigen een vaste stof — een kristal, een poeder, een stukje batterijmateriaal — in een NMR-scanner leggen, hetzelfde type apparaat dat ook de basis vormt van MRI-scanners in ziekenhuizen. In vloeistoffen tuimelen moleculen voortdurend alle kanten op, waardoor je een scherp signaal krijgt. In een vaste stof staat alles stil, en daardoor ontstaat juist een wazige, onbruikbare brij van signalen.
Magic angle spinning (letterlijk: ‘magische-hoek-rotatie’, vaak afgekort tot MAS) is de truc waarmee wetenschappers dit probleem al sinds de late jaren vijftig oplossen. Ze laten het monster razendsnel ronddraaien, maar niet zomaar in het rondje: precies onder een hoek van 54,74 graden ten opzichte van het magneetveld van de scanner. Die specifieke, wiskundig afgeleide hoek zorgt ervoor dat de verstorende effecten die vaste stoffen normaal onscherp maken, elkaar als het ware uitmiddelen. Het resultaat is een NMR-signaal dat bijna net zo scherp is als dat van een vloeistof — terwijl je nog steeds naar een vaste stof kijkt.
Wat is het precies?
Om te snappen waarom dit werkt, moet je eerst weten wat NMR eigenlijk meet. Nuclear magnetic resonance (kernspinresonantie) maakt gebruik van het feit dat atoomkernen — bijvoorbeeld van waterstof, koolstof of lithium — zich als kleine magneetjes gedragen. Leg je ze in een sterk magneetveld, dan kun je met radiogolven precies meten hoe die kernen ‘reageren’. Die reactie hangt subtiel af van de chemische omgeving van elk atoom, wat NMR tot een krachtig middel maakt om moleculaire structuren te ontrafelen.
Het probleem is dat in een vaste stof de oriëntatie van elk molecuul ten opzichte van het magneetveld vastligt. Sommige interacties tussen kernen — zoals de zogeheten chemical shift anisotropy (de manier waarop de chemische omgeving van een atoom het signaal beïnvloedt, afhankelijk van de richting) en dipolaire koppeling (de magnetische wisselwerking tussen naburige kernen) — hangen sterk af van die richting. Omdat een poeder miljarden kristalletjes bevat die allemaal willekeurig georiënteerd liggen, overlappen al die richtingsafhankelijke signalen elkaar tot een brede, vage bult.
De wiskunde achter deze richtingsafhankelijke effecten bevat steevast een term met de vorm (3cos²θ − 1), waarbij θ de hoek is tussen een bepaalde molecuulas en het magneetveld. Vul je daar 54,74 graden voor in, dan wordt deze term precies nul. Door het monster fysiek rond een as te laten draaien die exact op die hoek staat, en dat bovendien sneller te doen dan de grootte van de storende interactie zelf, middelt het apparaat in feite alle mogelijke oriëntaties in één klap uit. Vandaar de bijnaam ‘magisch’: één specifieke hoek lost een heel scala aan verschillende verstoringen tegelijk op.
In de praktijk wordt het poeder in een klein cilindervormig ‘rotortje’ van keramiek (vaak zirkoniumoxide) gestopt, dat op een luchtkussen van stikstof- of perslucht wordt rondgeblazen. Simpele metingen draaien met een paar duizend omwentelingen per seconde (kilohertz, kHz); de snelste moderne opstellingen, met piepkleine rotortjes van minder dan een halve millimeter doorsnee, halen inmiddels ruim boven de 100.000 omwentelingen per seconde. Vaak wordt MAS gecombineerd met een truc genaamd cross-polarisatie, in de jaren zeventig ontwikkeld door Alexander Pines, Myer Gibby en John Waugh, waarbij de magnetisatie van veelvoorkomende, gevoelige waterstofkernen wordt ‘geleend’ om zeldzamere kernen zoals koolstof-13 beter zichtbaar te maken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te formuleren: de atomaire bouw en beweging van materialen doorgronden die zich niet lenen voor de gebruikelijke technieken. Röntgendiffractie, de klassieke methode om structuren tot op de atoom nauwkeurig te bepalen, vereist een goed geordend kristal. Maar veel interessante materialen zijn dat nu net niet: amorfe glazen, poreuze katalysatoren, poeders, gels, en vooral ook biologische systemen zoals membraaneiwitten of eiwitaggregaten, die vaak weigeren te kristalliseren.
Vaste-stof-NMR met MAS biedt hier een alternatief venster: het levert informatie op atomaire schaal — welke atomen dicht bij elkaar zitten, hoe flexibel een molecuulketen is, welke chemische omgeving een bepaald atoom heeft — zonder dat er een kristal nodig is. Dat maakt de techniek waardevol voor onderzoeksvelden waar de ‘wanorde’ zelf vaak juist de interessante eigenschap is, zoals bij batterijmaterialen, katalysatoren of geneesmiddelformuleringen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste toepassingen komt uit de biomedische hoek: onderzoeker Robert Tycko en collega's gebruikten vaste-stof-NMR met MAS begin jaren 2000 om de moleculaire structuur van amyloïde-bèta-fibrillen op te helderen, de eiwitaggregaten die in verband worden gebracht met de ziekte van Alzheimer. Omdat deze fibrillen geen nette kristallen vormen, was MAS-NMR destijds een van de weinige methoden die er structurele details uit kon halen.
In Nederland heeft de onderzoeksgroep van Marc Baldus aan de Universiteit Utrecht zich gespecialiseerd in vaste-stof-NMR van membraaneiwitten: eiwitten die in celmembranen zitten en notoir lastig te kristalliseren zijn, terwijl ze wel het merendeel van de aangrijpingspunten voor medicijnen vormen.
Op het gebied van energieopslag gebruikt de groep van Clare Grey in Cambridge NMR-technieken, waaronder MAS, om te volgen hoe lithium- en natriumionen zich tijdens het laden en ontladen door batterijmaterialen bewegen, en hoe ongewenste structuren zoals dendrieten (naaldachtige metaalafzettingen die batterijen kunnen kortsluiten) ontstaan.
Voor katalysatoren en poreuze materialen zoals zeolieten — kristallijne roosters die worden gebruikt om olie te kraken of gassen te scheiden — is vooral de MQMAS-methode belangrijk, geïntroduceerd door Lucio Frydman in de jaren negentig. Deze variant maakt het mogelijk om ook lastige, zogeheten quadrupolaire kernen zoals aluminium-27 scherp in beeld te brengen, iets waar gewone MAS niet volstaat. Ook in Nederland, aan de Radboud Universiteit Nijmegen, wordt onder leiding van Arno Kentgens al decennialang onderzoek gedaan naar dit soort quadrupolaire NMR-technieken.
Tot slot combineren onderzoekers, voortbouwend op pionierswerk van onder anderen Robert Griffin aan het MIT, MAS met dynamic nuclear polarization (DNP): daarbij wordt de magnetisatie van ongepaarde elektronen — met behulp van krachtige microgolfbronnen, gyrotrons genoemd — overgedragen op de atoomkernen, wat het signaal soms wel honderd keer kan versterken. Dat maakt het mogelijk om ook zeer verdunde of oppervlaktegebonden stoffen te bestuderen, zoals dunne laagjes op katalysatordeeltjes.
Hoe ver is de techniek?
Magic angle spinning zelf is geen nieuwe uitvinding: de basisidee werd onafhankelijk van elkaar ontwikkeld door de Britse natuurkundige E. Raymond Andrew en, kort daarna, door Ivan Lowe, beiden eind jaren vijftig. In die zin is het een volwassen, breed geaccepteerde standaardtechniek die in duizenden laboratoria wereldwijd dagelijks wordt gebruikt — geen speculatieve toekomsttechnologie.
Wat wél volop in ontwikkeling is, is de randapparatuur eromheen. De spinsnelheden zijn de afgelopen twintig jaar enorm opgevoerd, van enkele kilohertz naar probes die tegenwoordig ruim boven de 100 kHz draaien, met de allersnelste laboratoriumopstellingen die richting de 150 à 170 kHz gaan. Hogere snelheden leveren scherpere signalen op, maar de rotortjes worden daarbij ook steeds kleiner — met minder dan een milligram monster in de snelste rotors — wat weer ten koste gaat van de gevoeligheid. Dat is meteen het belangrijkste obstakel van de techniek: NMR is van nature een ongevoelige methode, en vaste-stof-NMR nog meer dan vloeistof-NMR. Metingen die uren tot dagen duren zijn geen uitzondering.
DNP-versterking pakt precies dat gevoeligheidsprobleem aan, maar brengt zijn eigen complicaties mee: de metingen moeten meestal bij zeer lage temperaturen (rond de 100 kelvin, oftewel zo'n -170 graden Celsius) gebeuren, en de benodigde gyrotrons en cryogene systemen maken de complete opstelling duur en technisch complex. Spectrometers met MAS- en DNP-mogelijkheden kosten al gauw enkele miljoenen euro's, wat de toegankelijkheid van de techniek beperkt tot goed gefinancierde onderzoeksinstituten en gedeelde nationale faciliteiten.
Wie werken eraan?
Op instrumentontwikkelingsvlak wordt de markt voor NMR-spectrometers en MAS-probes wereldwijd gedomineerd door het Duitse bedrijf Bruker en het Japanse JEOL, die beide continu werken aan snellere rotors, gevoeligere probes en DNP-systemen.
Op onderzoeksvlak lopen de Verenigde Staten (onder meer MIT, met de erfenis van Robert Griffins DNP-werk) en het Verenigd Koninkrijk (Cambridge, met Clare Grey's batterijonderzoek) voorop, naast sterke groepen in Zwitserland (ETH Zürich) en Frankrijk (Lyon/EPFL-netwerk rond onderzoekers als Lyndon Emsley). Nederland speelt internationaal gezien opvallend stevig mee, met de vaste-stof-NMR-groepen van Marc Baldus in Utrecht en Arno Kentgens in Nijmegen, die deel uitmaken van de landelijke, door NWO ondersteunde grootschalige NMR-infrastructuur waarmee onderzoekers uit binnen- en buitenland gebruik kunnen maken van geavanceerde apparatuur.