#2. Kể chuyện NMR

Chuyện 1: Lịch sử NMR

NMR là phương pháp phổ có tuổi đời tương đối trẻ so với các phương pháp phổ khác, như X-Ray, IR, AA, MS, ... Chính vì vậy, trong khi nhiều phương pháp phổ khác đã "chững" lại từ lâu thì cho tới nay năm nào NMR cũng vẫn có những bước phát triển mới, bao gồm các cải tiến, phát minh mới về kỹ thuật, công nghệ, lý thuyết. Dưới đây là mô tả ngắn gọn những cột mốc trong chặng đường phát triển NMR. Nhiều trong số các cột mốc NMR gắn liền với các giải thưởng Nobel danh giá.

• Năm 1924:

Có thể nói khởi thủy của NMR là tiên đoán của nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng W. Pauli khi ông giải thích hiện tượng tách vạch tinh tế của quang phổ và manh nha nguyên lý nổi tiếng sau này mang tên ông: Nguyên lý lọc lựa Pauli. Trong các lập luận và giải thích của mình, ông đã tiên đoán sự tồn tại mô men từ hạt nhân, sau này thường được gọi là spin hạt nhân. Vấn đề còn lại là đi tìm bằng chứng thực nghiệm sự tồn tại spin hạt nhân.

Wolfgang Pauli (1900-1958), giải thưởng Nobel vật lý năm 1945.

• Năm 1938: Phát hiện thực nghiệm NMR đầu tiên trong pha khí

Đã có rất nhiều nhà khoa học thực nghiệm cố gắng đi tìm bằng chứng thực nghiệm cho ý tưởng của Pauli về sự tồn tại spin hạt nhân, nhưng đều thất bại. Trong số các thí nghiệm thất bại có các thí nghiệm rất cầu kỳ và kiên trì của C. J. Gorter (1907-1980). Nhưng các thí nghiệm thất bại đã không vô ích. Nhờ nghiên cứu kỹ các công bố kết quả thực nghiệm bất thành của Gorter, cuối cùng một nhà vật lý thực nghiệm khác - Isidor Isaac Rabi, đã đi đến được thành công.

Năm 1938, Rabi bố trí thí nghiệm cho chùm tia hạt nhân LiCl bay qua một buồng kín đặt trong từ trường mạnh với sóng điện từ phát vuông góc với từ trường và bố trí một tấm bia đón ở phía đối diện lối vào. Khi thay đổi tần số sóng điện từ, Rabi quan sát thấy rằng ở một giá trị tần số nhất định chùm tia hạt nhân bị biến mất, không đến được bia (xem hình bên dưới). Hiệu ứng mang đặc trưng cộng hưởng nói trên được lý giải một cách hợp lý dựa trên tính chất từ của hạt nhân, cụ thể là vai trò spin hạt nhân. Năm 1944, Rabi đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý về phát minh này, một năm trước khi Pauli được nhận giải Nobel (1945).

Công bố của Rabi phát hiện hấp thụ cộng hưởng của hạt nhân từ (magnetic) trong pha khí.

• Năm 1945 - 1946: Phát hiện thực nghiệm NMR trong pha lỏng

Có thể nói kết quả thí nghiệm của Rabi xác nhận sự tồn tại spin hạt nhân là một thành công thực nghiệm rực rỡ, nhưng nó lại có rất ít ý nghĩa với thực nghiệm phân tích vì thí nghiệm này mới chỉ cho phép phát hiện tính chất từ của chùm hạt nhân bay trong pha khí, trong khi các mẫu phân tích thực hầu hết đều ở trạng thái rắn hay lỏng. Vì vậy các cố gắng thực nghiệm tiếp theo là săn tìm spin hạt nhân trong pha lỏng và pha rắn.

Giữa tháng 12 năm 1945, Purcell và các cộng sự tại trường đại học kỹ thuật Massachusett (Mỹ) đã ghi nhận được sự tồn tại spin hạt nhân với mẫu paraphin ở tần số 30MHz. Và ngay sau đó không lâu, vào tháng 1 năm 1946, nhóm của Bloch và các cộng sự tại đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) cũng đã ghi nhận được sự tồn tại spin hạt nhân của proton trong mẫu nước ở tần số cộng hưởng 8MHz. Kết quả của 2 nhóm đã được công bố trên cùng một số tạp chí vào năm 1946 (Phys Rec 1946). Sau này, người ta quyết định chọn năm 1946, thời gian công bố hai công trình của Purcell và Bloch, là năm khai sinh NMR, nhưng thời gian đầu người ta gọi nó bằng những tên khác, chưa phải là NMR.

Phổ 1H NMR mẫu nước với thời gian t khác nhau trong công bố của Bloch (1946).

• Năm 1950-1951: Phát hiện sự dịch chuyển và tách vạch phổ NMR 

Mặc dù phát minh NMR của Purcell và Bloch đã mở ra triển vọng ứng dụng phương pháp này trong phân tích hóa học, nhưng ý nghĩa của phương pháp này chưa đủ hấp dẫn các nhà hóa học. Có nhiều phương pháp phân tích hóa học hay quang phổ khác cũng có thể phát hiện được sự có mặt Hydro hay các nguyên tố khác trong mẫu phân tích mà không cần đến các thí nghiệm bố trí phức tạp như NMR.

Cuối 1950, đầu 1951, nhờ các thí nghiệm chính xác hơn, tinh tế hơn, một loạt phát hiện mới về NMR đã được công bố. Trước nhất là phát hiện tín hiệu NMR của proton (H) không phải chỉ là một vạch tại tần số cộng hưởng xác định mà có thể xuất hiện ở những giá trị tần số cộng hưởng khác nhau tùy theo proton nằm trong phân tử nào. Ví dụ, tần số cộng hưởng của proton trong CHCl3 có khác so với với tần số cộng hưởng proton trong HNO3, dù sự khác nhau là không nhiều, chỉ cỡ vài phần triệu (ppm). Nói một cách tổng quát hơn, nếu phân tử có nhiều nguyên tử H ở các vị trí khác nhau, nhóm chức khác nhau, liên kết khác nhau trong phân tử (CH2, CH3, NH, OH, ...) thì phổ NMR có thể có nhiều vạch với tần số cộng hưởng khác nhau. Hiện tượng này tạm gọi là "dịch chuyển tần số cộng hưởng". Hình bên dưới là công bố đầu tiên về hiện tượng có những vạch cộng hưởng proton khác nhau của cùng một chất, cụ thể là phổ NMH của mẫu ethanol với 3 vạch cộng hưởng, với cường độ của các vạch là 1:2:3, tương ứng với số proton của OH, CH2 và CH3 trong phân tử ethanol (C2H6O).

Công bố đầu tiên phát hiện tách vạch phổ NMR của mẫu ethanol.

Phát hiện thứ 2 là hiện tượng một vạch cộng hưởng của proton còn có thể bị tách ra thành các vạch nhỏ liền nhau, thành một nhóm vạch, gọi là vạch bội. Hiện tượng tách vạch đơn thành các vạch bội trên phổ 1H NMR có nguồn gốc từ tương tác vô hướng và khá phức tạp. Với ví dụ phổ 1H NMR mẫu ethanol nói tới ở phần trên, do hiện tượng dịch vạch phổ nên thay vì 1 vạch proton, trên phổ xuất hiện tới 3 vạch cộng hưởng, tương ứng với 3 loại H là OH, CH2 và CH3, và tiếp đó tương tác vô hướng làm vạch cộng hưởng của CH2 và CH3 tách thành các vạch bội bốn và bội ba.

Tách vạch cộng hưởng phổ 1H NMR mẫu ethanol.

Nhờ các phát minh trên mà chúng ta biết rằng phổ NMR có thể cho chúng ta biết không chỉ sự có mặt H trong phân tử nghiên cứu mà còn biết có bao nhiêu loại nguyên tử H ở các vị trí nào, thuộc nhóm chức nào, chúng liên kết như thế nào với nhau trong phân tử nghiên cứu. Sau phát hiện này, NMR đã càng ngày càng trở thành công cụ gắn bó và không thể thiếu của các nhà phân tích hóa học.

Đáng tiếc mặc dù các tác giả (UC Berkeley và Walter D. Knight) phát hiện ra hiện tượng dịch chuyển và tách vạch NMR những năm 1949-1951 đã được đề xuất nhận giải thưởng Nobel nhiều lần, nhưng không được. Dẫu sao, nhờ những phát minh này mà NMR đã có diện mạo hoàn toàn khác chỉ sau 6 - 7 năm kể từ khi ra đời. Ngày nay, một số tài liệu vẫn gọi độ dịch chuyển hóa học là "Độ dịch chuyển Knight".

• Năm 1957: Ghi được phổ 13C NMR

Về lý thuyết thì spin hạt nhân không phải là thuộc tính riêng của 1H mà là của mọi hạt nhân, trong đó có 13C, một thành phần cực kỳ quan trọng trong cấu trúc hóa học hữu cơ. Và như vậy thì đo được phổ 1H NMR cũng có nghĩa là đo được phổ 13C NMR hay các hạt nhân khác. Trên thực tế, việc có đo được phổ NMR của một hạt nhân nào đó hay không phụ thuộc nhiều yếu tố do vậy có hạt nhân dễ dàng đo được phổ NMR nhưng có những hạt nhân lại rất khó. 13C chính là một trong số các hạt nhân khó đo phổ NMR, dù chưa phải là khó nhất. Chính vì vậy, hơn chục năm sau khi phổ NMR mà thực chất là phổ 1H NMR ra đời, năm 1957 mới lần đầu tiên xuất hiện 2 công bố độc lập nhau ghi nhận được phổ 13C NMR, đó là P.C. Lauterbur và C.H. Holm 1957. Lưu ý rằng, Pau Lauterbur không chỉ là "cha đẻ" của phổ 13C NMR mà ông còn có rất nhiều đóng góp to lớn trong lĩnh vực phổ NMR dị nhân và đặc biệt là phát minh MRI sẽ nói tới ở phần về phổ NMR cơ thể sống.

• Năm 1966: Phổ NMR biến đổi Fourier

Với các phương pháp phổ nói chung, đặc biệt với phổ phức tạp như NMR, các phát minh kỹ thuật thường đi trước. Với NMR, từ kỹ thuật quét phổ trong phổ CW NMR đến phổ NMR xung hay sau này phát triển đầy đủ thành phổ NMR biến đổi Fourier (FT NMR) là một cuộc đại cách mạng, làm thay đổi hẳn diện mạo NMR. Không lâu sau khi FT NMR ra đời, CW NMR đã chỉ còn đóng vai trò giáo cụ trực quan hoặc trong các bảo tàng kỹ thuật. Công lao này thuộc về Ernst và Anderson. 

• Năm 1973: Chụp ảnh NMR cơ thể sống - MRI.

Năm 1981, khi so sánh NMR tế bào thường và tế bào ung thư, Damadian, nhà vật lý, bác sỹ ở trung tâm y tế của đại học quốc gia NewYork (Mỹ) đã phát hiện có sự khác nhau trên phổ NMR, hay nói chính xác hơn là giữa tham số hồi phục của phổ NMR của tế bào thường và tế bao ung thư. Phát hiện này hé mở con đường để NMR đi vào lĩnh vực chẩn đoán trong y học. Vấn đề mang tính đột phá là làm thế nào để có thể đo phổ NMR trực tiếp trên cơ thể sống, thay vì phải mổ, cắt tế bào mang đi đo phổ NMR. Đây lại là vấn đề kỹ thuật, trong đó toán học là quan trọng. Đáng tiếc các cố gắng kỹ thuật của Damadian và cộng sự đã thất bại. Và thành công sau này thuộc về L. Lauterbur và ngài Peter Mansfield là những người đã ứng dụng và phát triển kỹ thuật gradient để dựng ảnh NMR cơ thể sống thay vì phổ NMR. Hai ông đã được nhận giải thưởng Nobel năm 2003.

Một trong các lần thí nghiệm của Damadian
 (người cởi trần trong ảnh) chụp ảnh NMR
 của chính cơ thể mình.

Thời gian đầu, phương pháp chụp ảnh cơ thể người dựa trên nguyên lý phổ NMR trong chẩn đoán y học có tên là Chụp ảnh NMR y học (NMR Medical Imaging). Từ năm 1984, phương pháp này được đổi tên thành Ảnh cộng hưởng từ  (MRI), bỏ từ hạt nhân đi để tránh hiểu nhầm liên quan tới chiếu xạ hạt nhân, dễ gây ấn tượng nặng nề cho bệnh nhân.

• Năm 1975: Phổ NMR hai chiều (2D NMR)

Ý tưởng về phổ NMR hai chiều (2D NMR) được Jeener đề xuất từ năm 1971 - Một đề xuất "chơi chơi" nhưng cực khó về mặt kỹ thuật. Ernst, người có công trong cuộc cách mạng mang tên FTNMR cũng lại là người đã phát biến ý tưởng của Jeener thành hiện thực và phát triển xa hơn nhiều. Ngày nay, trong NMR nói chung, trong NMR protein nói riêng, các kỹ thuật phổ 2D, 3D, 4D NMR trở nên cực kỹ quan trọng.  

Có thể nói Purcell và Bloch là cha đẻ của NMR, nhưng Ernst mới là người có công "dưỡng dục" NMR. Ông đã được nhận giải Nobel 1991 vì hàng loạt đóng góp mang tính cách mạng trong cả lý thuyết và thực nghiệm NMR, trong đó có FT NMR và 2D NMR.

Richard Robert Ernst (1933), Nobel hóa học năm 1991.

• Năm 1982: Phổ NMR protein và Axit Nucleic 

Tất nhiên, phân tử càng phức tạp, phổ NMR càng phức tạp và giải phổ NMR càng khó. Các phân tử gặp trong phân tích NMR thường có khối lượng phân tử khoảng vài chục đến vài trăm Dalton (Da), còn các protein gặp trong phân tích NMR thường có cỡ 10-30kDa. Theo nghĩa này, có thể nói, protein và các axit nucleic là cận trên của kích thước phân tử, là mảng NMR khó nhất. 

NMR protein đòi hỏi rất nhiều kỹ thuật riêng biệt, từ xử lý mẫu, 13C và 15N hóa phân tử, đến kỹ thuật đo, dang phổ NMR và quy trình giải phổ. Đặc biệt NMR protein đòi hỏi thiết bị NMR có từ trường lớn, tần số cao. Chính vì vậy, mặc dù cũng là NMR, nhưng NMR thường được xem như một mảng riêng. Trong lĩnh vực "top" này, Wuthrich là người đi tiên phong từ những năm 70 thế kỷ trước. Ông được nhận giải Nobel năm 2002. 

GS. Kurt Wuthrich (người ôm hoa), "cha đẻ" NMR protein, Nobel 2002.

Chuyện 2: NMR trên thế giới 

NMR ngày càng trở nên một công cụ mạnh mẽ, hầu như không thể thiếu cho các nhà hóa học, nhất là hóa học hữu cơ. Hội NMR được thành lập ở nhiều quốc gia, nhiều vùng lãnh thổ. Nhiều tạp chí chuyên về kỹ thuật và ứng dụng NMR trong các lĩnh vực khác nhau ra đời. Tại các nước có nền khoa học phát triển, thiết bị NMR đã trở nên rất thông dụng. Ví dụ, theo số liệu 2016, tại Thái Lan có 46 hệ máy NMR, tại tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc có hơn 70 hệ máy NMR các loại. Đặc biệt, tại trung tâm RIKEN ở thành phố Yokohama của Nhật Bản, tập trung tới hơn 40 máy NMR loại hiện đại.

Hệ thống máy NMR tại công viên NMR (NMR Park) ở Yokohama Nhật Bản, sắp xếp thành các cụm tượng trưng cho một lá và hai hoa anh đào ở một phía còn ở phía kia là 2 nửa mặt trời . tất cả có 45 máy NMR trong đó có 3 siêu máy (900MHz) - Theo số liệu năm 2006.

Nhật Bản cũng là nơi hiện tại đang giữ kỷ lục về máy NMR với từ trường/tần số lớn nhất thế giới (1.020MHz, do hãng JEOL chủ trì chế tạo). Trước đó, kỷ lục này thuộc về máy NMR 1.000MHz của hãng Bruker, đặt tại Lion, Pháp (năm 2009).

Thiết bị NMR 1020 MHz tại Nhật Bản (năm 2015).

Chuyện 3: NMR Việt Nam 

Là một phương pháp phân tích có bản chất phổ, nhưng NMR có những đòi hỏi cao cả về vật chất (thiết bị NMR phức tạp, đắt tiền, cần Heli lỏng và dung môi D rất đắt tiền để duy trì hoạt động), cũng như kỹ thuật phân tích, giải phổ, do vậy NMR ở Việt Nam bị đi chậm nhiều nhịp so với các nước khác. Năm 1979, Việt Nam có thiết bị NMR đầu tiên. Đến nay, Việt Nam đã có 06 máy NMR (Viện Hóa học: 02 x 500MHz - Bruker, ĐHKHTN Hà Nội :01 x 500MHz - Bruker, ĐHBK Hà Nội: 01 x 400MHz - Jeol, ĐHKHTN Tp HCM: 01 x 500MHz - Bruker và Trung tâm công nghệ cao Tp HCM: 01 x 300MHz - Bruker), trong đó có 04 máy đang hoạt động.

Máy NMR VARIAN 60MHz, thế hệ CW NMR, chỉ đo được duy nhất phổ 1H NMR,
là máy NMR đầu tiên ở Việt Nam. Máy được lắp đặt và sử dụng Pháp từ 1968,
đến năm 1979, phía Pháp tặng cho Việt Nam. Máy được lắp đặt tại Viện Hóa Học.

NMR là phương pháp thực nghiệm. Sự phát triển đội ngũ chuyên gia NMR ít nhiều cũng phụ thuộc vào thiết bị phổ. Suốt thời gian dài chúng ta không có thiết bị NMR, mãi gần đây mới có và có cũng không nhiều (vài máy), vì thế lực lượng chuyên gia NMR ở Việt Nam cũng không nhiều, chủ yếu là thế hệ các nhà khoa học được đào tạo ở nước ngoài từ những năm 1970 - 1980. Thế hệ này cũng đã dần qua đi. Chúng ta đang chờ những thế hệ chuyên gia NMR mới của thế kỷ 21.

Chuyện 4: Họ hàng NMR

A. Td NMR

"Họ hàng" gần nhất, có thể gọi là người em sinh đôi với NMR, chính là Cộng hưởng từ hạt nhân miền thời gian (Td NMR) hay đôi khi còn gọi một cách không chính xác lắm về mặt kỹ thuật là "NMR phân giải thấp". Đây là một biến thể đơn giản của NMR. Td NMR đơn giản cả về thiết bị và ứng dụng. Máy Td NMR nhỏ gọn, rẻ tiền và thường được dùng trong công nghiệp thực phẩm, hóa dầu và polymer. Chức năng chính của Td NMR là đánh giá chất lượng một dòng sản phẩm nhất định. Hiện tại ở Việt Nam đã có ít nhất 01 máy Td NMR, đặt tại nhà máy Dầu thực vật Cái Lân (Quảng Ninh).

B. MRI 

MRI là một dạng ứng dụng NMR trong y học. NMR và MRI có rất nhiều khái niệm kỹ thuật chung, như thời gian hồi phục, nam châm siêu dẫn, ... NMR gắn liền với hóa học, sinh học, dược học, ... là những ngành rất phát triển thì MRI lại gắn liền với lĩnh vực ngày càng trở nên nóng: lĩnh vực Y học. Trong những năm gần đây, MRI phát triển rất mạnh cả về kỹ thuật và ứng dụng. Rất nhiều kỹ thuật MRI mới ra đời. Số lượng máy MRI tăng nhanh đến chóng mặt. Tại Việt Nam, năm 2001 chỉ có 03 máy MRI tại bệnh viện Việt Xô, bệnh viện Chợ Rẫy và trung tâm Medic (tp HCM), nhưng hiện nay số máy MRI trong cả nước đã đạt tới con số hàng trăm hệ lớn nhỏ, có mặt ở hầu hết các bệnh viện trung ương, bênh viện cấp tỉnh và các bệnh viện, phòng khám tư nhân trong cả nước.

Khai trương máy MRI 1,5T tại bệnh viện đa khoa KonTum (21/11/2016).

C. EPR/ESR

Nếu xem MRI và Td NMR là những người anh em ruột của NMR thì Cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR) hay còn gọi là Cộng hưởng từ spin (ESR) là anh em họ nội tộc với NMR. Điều khác biệt của ESR so với NMR, MRI và Td NMR là ESR dựa trên mô men từ của điện tử (electron), trong khi 3 phương pháp kia cũng dựa trên mô men từ nhưng là của hạt nhân. Sự gần nhau giữa NMR và ESR đến mức Wiki tiếng Việt đã bị nhầm ESR với NMR, nhầm Zavoisky (Kazan - Nga), cha đẻ ESR, thành một nhà khoa học thất bại trong NMR.

Nếu NMR may mắn được các nhà hóa học đón chào và trân trọng thì ESR lại ít tìm thấy đất dụng võ hơn, kể cả trong hóa học, vật lý hay sinh học. Đối tượng chính của ESR là các ion kim loại chuyển và các gốc tự do, không phong phú như thế giới hữu cơ.
  

Những năm 70 thế kỷ trước, Liên Xô và Cộng hòa dân chủ Đức đã viện trợ cho Việt Nam 02 máy ESR, lắp đặt ở Đại học Tổng hợp Hà Nội và Đại học Bách khoa Hà Nội. Với 2 máy viện trợ này, một số nhà khoa học Việt Nam đã cố gắng phát triển ESR và tích cực tham gia Hội ESR Châu Á Thái Bình Dương vào những năm 1990 -2000. Nhưng sau khi 2 máy ESR lần lượt hỏng, chúng ta không mua máy ESR mới và ESR ở Việt Nam đi dần vào lãng quên.

Hà Nội, 7/5/2017

* 1/4/2018: Theo một thông tin không chính thức, Đại học bách khoa Hà Nội mới được trang bị 01 thiết bị Cộng hưởng từ điện tử (EPR/ESR) từ nguồn tài trợ của một dự án với CHLB Đức.