NMR Siêu tốc

Phổ 1H NMR ra đời từ năm 1946, nhưng mấy năm đầu nó chỉ là "game" của các nhà vật lý, cho đến năm 1951, khi phát hiện ra hiện tượng che chắn và độ dịch chuyển hóa học trên phổ 1H NMR, thì các nhà hóa học mới cảm nhận được triển vọng phân tích tiềm tàng của nó. Tiếp đến những cột mốc mang tính cách mạng về "Phát minh ra phổ 2D NMR" vào những năm 70 và tiếp sau là "Ra đời phổ 3D-NMR, phổ 4D-NMR" thì không chỉ các nhà hóa học mà ngay cả các nhà sinh học, dược học, y học cũng phải thốt lên: "Không thể không có NMR ! nD-NMR muôn năm !".


Có thể diễn giải nguyên lý phổ 2D-NMR một cách "bình dân" theo quy trình 2 bước như sau: Bước 1 -  Tín hiệu NMR thu được từ đầu dò sẽ lần lượt được điền điểm này nối điểm kia liên tiếp nhau cho đến khi đầy kín một mảng hình chữ nhật. Bước 2 - Biến đổi Fourier sẽ chuyển mảng dữ liệu đã điền kín nói trên thành phổ NMR. Về mặt thời gian, việc điền đầy mảng số liệu có thể mất từ vài phút (cho các phân tử nhỏ) đến vài chục phút (cho các phân tử vừa), thậm chí là vài ngày (cho protein, ADN), còn thời gian biến đổi Fourier dù phân tử to hay nhỏ, đơn giản hay phức tạp thì cũng chỉ cỡ giây.

Để có được các phổ 2D-NMR chất lượng cao (độ phân giải và độ nhạy cao) cho mục đích phân tích cấu trúc các phân tử vừa và lớn, có cấu trúc phức tạp, cần có các mảng dữ liệu với số điểm đo càng nhiều càng tốt. Số điểm đo càng nhiều thì đòi hỏi thời gian đo càng dài. Thời gian đo một phổ 2D-NMR, thực ra là thời gian điền đầy dữ liệu đo vào mảng dữ liệu như nói ở phần trên, có thể chỉ vài phút nhưng cũng có thể phải kéo dài đến vài ngày. Một lý do nữa khiến thời gian đo NMR trở thành vấn đề phải suy nghĩ là khi mẫu ít hay quá ít, khi đó cần phải tích phổ (quét phổ lặp lại nhiều lần), do vậy, mẫu càng ít, thời gian tích phổ phải càng dài. Thời gian là quan trọng, thời gian là tiền, vì dịch vụ NMR tại các nước không tính theo số phép đo hay số mẫu đo (như hiện tại ở VN) mà được tính theo thời gian chiếm dụng máy NMR, thường là khoảng 50-80$/h. Trên là hai trong nhiều lý do thôi thúc các chuyên gia NMR tìm các kỹ thuật nhằm giảm ngắn thời gian đo mà phổ vẫn đạt yêu cầu.

Từ lâu, các chuyên gia về kỹ thuật đo NMR đã phát hiện ra rằng: Trong mảng dữ liệu đo hình chữ nhật nói ở phần trên, chỉ có khoảng 20-30% điểm đo hàm chứa thông tin cấu trúc, phần còn lại là nhiễu. Ví nôm na giống như cả mớ rau thường chỉ có 20-30% lá non ăn được, còn lại là rễ, thân và lá già, không ăn được. Đã có rất nhiều ý tưởng được đề xuất, kiểu như "nhặt rau", tức là chỉ thu phần tín hiệu có ích, không thu nhiễu để giảm thời gian đo. Gần đây, một trong các ý tưởng đó đã trở thành hiện thực và được cộng đồng NMR nồng nhiệt tiếp nhận. Dưới đây sẽ trình bày ngắn gọn về phát minh này với một số kết quả thử nghiệm, đánh giá, mới thực hiện ngày 13/5/2018 tại Trung tâm phổ ứng dụng - Viện Hóa học.

A. Nguyên lý phép đo mới 

Hai hình minh họa dưới đây sẽ mô tả ở dạng đơn giản hóa nguyên lý kỹ thuật đo NMR "siêu tốc"

Thay vì thu tín hiệu và điền kín mảng dữ liệu như kiểu đo phổ truyền thống (hình A), kỹ thuật 
đo mới chỉ thu 25% số điểm đo (hình B), do vậy thời gian đo chỉ bằng cỡ 1/4 so với đo truyền thống 

Biến đổi Fourier không thể biến đổi mảng dữ liệu "lỗ chỗ" thành phổ NMR được, nên
phải thêm bước tạo các điểm giả lấp đầy mảng dữ liệu rồi mới thực hiện biến đổi Fourier

 B. Thực nghiệm kiểm chứng

NMRHanoi đã thử nghiệm 03 phép đo phổ Edited-HSQC đối với mẫu Quercitrin trong C6D6 (mẫu của khách hàng ở Tp HCM gửi phân tích) để thử nghiệm, đánh giá kỹ thuật NMR "siêu tốc":

• Phổ HSQC chuẩn - Dùng bộ tham số chuẩn, thời gian đo tq=38,48mins.
• Phổ HSQC siêu tốc - Dùng bộ tham số chuẩn, nhưng đo kiểu siêu tốc, tq=10,10mins.
• Phổ HSQC chuẩn - Dùng bộ tham số chuẩn, nhưng giảm thời gian đo còn tq=10,10mins.

Kết quả và bình luận được chú thích ngay bên dưới các phổ.

Phổ đo theo kỹ thuật truyền thống (A) và phổ đo theo kỹ thuật siêu tốc (B) có chất lượng phổ như nhau,
nhưng thời gian đo rất khác nhau (38,48mins so với 10,10mins).

Giãn phần aliphatic của phổ thường và phổ siêu tốc có cùng thời gian đo (10,10mins) để so sánh.
Tín hiệu 75-3.21ppm trên phổ thường (A) bị chồng chập, trong khi trên phổ "siêu tốc",
hai tín hiệu 74-3.21ppm và 76.1-3,21ppm được tách ra rất rõ ràng.. 

Kết luận

Thử coi NMR như là con tàu đường sắt xuyên Việt, tàu nhanh hiện tại hết cỡ 32 giờ từ HN đến SG hay ngược lại, còn trong tương lai, đi trên con tàu mới sẽ chỉ hết khoảng 8 giờ đã đến nơi. Tàu như vậy mới gọi là tàu "siêu tốc".

Trở lại với NMR, một phép đo NMR theo kỹ thuật thường hết 38,48min thì đo theo kỹ thuật mới chỉ hết 10,10min. Giảm thời giian đo cỡ 4 lần. Thế thì xứng đáng là NMR "siêu tốc" chứ còn gì nữa.

Thực ra NMR "siêu tốc" có ý nghĩa thực tiễn lớn lao chủ yếu với các phân tử có kích thước lớn và rất lớn, chứ ít có ý nghĩa thực tiễn với các phân tử nhỏ. Thì cũng như tàu siêu tốc - 8 tiếng HN-SG nếu có ý nghĩa thì cũng chỉ là đối với khách muốn đi chặng dài, HN-SG hay HN-Đà Nằng, HN-Nha Trang, HN- Bắc Kinh, chứ siêu tốc mà chạy Hà Nội - Yên Viên, Hà Nội - Giáp Bát thì cũng chẳng bõ bèn gì.