NMR và Giấc mơ "Người Nhện"

Con Người là "nhất quả đất", nhưng cũng còn vô số điều kỳ diệu của muôn loài khiến chúng ta vẫn phải ghen tỵ, thèm muốn, tạo hóa vẫn đặt ra những thách đố khó giải cho Con Người. Trong số những điều kỳ diệu ấy có nhiều điều liên quan tới các loài Nhện: Nọc độc cực mạnh của nhện độc "Góa phụ đen", khả năng chạy trên mặt nước như trượt băng của lũ nhện nước hay bám chạy trên tường, trên trần của nhện nhà, ... Và không thể không nói đến sự kỳ diệu của tơ nhên, vừa bền, vừa dai, vừa linh động và cái cách mà Thợ nhện dệt tơ thành lưới mà không cần máy móc, chai lọ, lò bễ, ươm ủ gì cả.

Tơ nhện - Tuyệt tác của tạo hóa (Ảnh minh họa)

NMR và NẤM

Mỗi năm trên toàn thế giới có hơn hai triệu người bị ảnh hưởng bởi nhiễm nấm và tính mạng sống bị đe dọa. Một trong những thách thức lớn đối với các nhà hóa dược và y dược là bí mật của bức tường kiên cố dị thường của tế bào nấm. Đây là mục tiêu chính để chế tạo ra các loại thuốc kháng nấm mới. Mới đây, nhóm nghiên cứu hóa học của Tuo Wang thuộc Đại học bang Louisiana ở Baton Rouge (Mỹ)  đã lần đầu tiên xác định được cấu trúc thành tế bào của một trong những loại nấm phổ biến và gây chết người nhiều nhất. Kết quả được công bố trên Nature Commun 2018, 9, 2747: "Molecular Architecture of fungal cell walls revealed by solid-state NMR". Công việc của họ có thể dẫn đến việc chế tạo các  dược phẩm mới có thể cứu hàng triệu mạng sống.

PHỔ HIẾM

Nhân tiện bạn NTTâm có gửi câu hỏi nêu trên mục #100 Diễn đàn NMR về phổ 2D INADEQUATE, NMRHanoi viết bài mới này để giới thiệu ngắn gọn về một dạng "phổ NMR hiếm".

Đúng là chưa lần nào NMRHanoi nói đến phổ INADEQUATE. Một phần vì có đến hơn 200 dạng phổ NMR khác nhau, nên sẽ có rất nhiều dạng phổ NMR không được đề cập đến, lý do thứ hai là mặc dù phổ INADEQUATE có ý nghĩa rất quan trọng trong xác định các cấu trúc phức tạp, nhưng loại phổ này lại rất ít được đo. Các lý do vì sao INADEQUATE ít được đo, ít được phổ biến sẽ được giải thích dưới đây.

Giấc mơ tham dự WC của NMRHanoi

Nhân vừa xem xong WC 2018 lại đúng vào dịp Viện Hóa học đang trình dự án xin mua máy NMR 600MHz, NMRHanoi xin cập nhật thông tin về cuộc đua tần số trong lĩnh vực phổ kế NMR. Có cái gì đó nhang nhác như chuyện WoldCub đối với Việt Nam trong việc này.

1. Vì sao tăng tần số và tăng đến bao nhiêu ? 

Có 3 nguyên tắc chính liên quan tới việc tăng từ trường (cũng tức là tăng tần số) của phổ kế NMR: 

Nguyên tắc 1: Tăng từ trường/tần số của phổ kế NMR sẽ làm tăng các đặc trưng và tính năng cơ bản của phổ kế (độ nhạy, độ phân giải, ...), do đó tăng chất lượng phổ NMR. Điều này cũng gần giống như tăng dung tích xy lanh xe máy, ví dụ từ 50cc lên xe máy 150cc. Nguyên tắc vật lý này đã được phân tích và diễn giải trong nhiều trang của NMRHanoi.

CHỜ AVANCE NEO 600MHz

Ngày 12/6/2018, Viện Hóa học đã tổ chức Hội thảo "NMR và ứng dụng" lần thứ 5. Hai nội dung chính đã được các diễn giả Kwanchai (Bruker) và NTTai (Viện Hóa học) trình bày, sau đó được các đại biểu trao đổi sôi nổi tại hội thảo là:

1. Hãng Bruker giới thiệu thế hệ thiết bị NMR mới (AVANCE thế hệ thứ 5): AVANCE NEO, hướng trọng tâm vào thiết bị AVANCE NEO 600MHz (Hiện tại ở Việt Nam mới chỉ có 01 thiết bị NMR 400MHz và 03 thiết bị NMR 500MHz). 
2. Viện Hóa học trình bày Đề xuất dự án bổ sung phổ kế AVANCE NEO 600MHz.

HỘP ĐEN NMR

Nhiều người đến với NMR đơn giản chỉ để tìm câu trả lời cho những câu hỏi đại loại như:

• Chất này là chất gì ?
• Chất này có phải là Vitamin A không ?

Chứ hoàn toàn không muốn đau đầu với những khái niệm như Spin, Fourier, Larmor, CS, J-coupling, COSY, ...

Lại có những người cả đời mới cần đến NMR 1-2 lần. Thật vô lý nếu bắt họ phải đau đầu với những khái niệm rắc rối của NMR.

Với những đối tượng kiểu như trên, mong muốn khát khao cho họ là có một "hộp đen" để thả mẫu hay thả phổ NMR vào một phía và nhận câu trả lời mong muốn ở phía kia của hộp đen, không phải đau đầu với những khái niệm rắc rối của NMR. 

Bài viết này sẽ giới thiệu và tặng một chiếc "hộp đen" như vậy cho những người không muốn đau đầu với những khái niệm rắc rối của NMR. 

Việc duy nhất phải làm là hãy kiên nhẫn đọc cho hết bài này rồi lặng lẽ làm theo hướng dẫn.

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 !".

NMR thời 4.0

"Cách mạng 4.0" đang rộ lên như là một cụm từ "thời thượng". Trong công nghệ vũ trụ, viễn thông, giao thông, quản lý thuế, ... với chính phủ, doanh nghiệp, gia đình ... cho xuống đến tận mớ rau, con cá, đâu đâu cũng thấy nói "Bốn chấm không, bốn chấm không !"

Về mặt kỹ thuật, công nghệ, NMR là một trong những lĩnh vực "cao ngất ngưởng", thường đi tiên phong trong việc ứng dụng các công nghệ mới nên việc tiếp cận và cập nhật "Cách mạng 4.0" là "khỏi phải nói" và  chắc là đã được khởi động từ lâu rồi. Thế mà mới đây, ngay trong tháng này, 25 chuyên gia đại diện cho 23 cơ sở nghiên cứu hàng đầu thế giới về NMR trong đó có cả hãng sản xuất máy NMR uy tín nhất là Bruker và 2 nhà cung cấp phần mềm NMR danh tiếng là ACDLab và MestreLab đã cùng nhau soạn thảo một kiến nghị: "Phải 4.0 dữ liệu NMR". Kiến nghị này được đăng trên tạp chí Cộng hưởng từ trong hóa học (Magnetic Resonance in Chemistry), số ra năm 2018 với tên: "NMReDATA, a standard to report the NMR assignment and parameters of organic compounds". Ở đây, NMReDATA là NMR extracted Data, hiểu là dữ liệu cấu trúc khai thác từ phổ NMR.

Quy tắc "Hai ngang, Một dọc"

Vào dịp nghỉ lễ 4 ngày đầu tháng 5, khi tìm hiểu để viết bài giới thiệu phổ mới H2BC, NMRHanoi nảy sinh ý tưởng làm sao đó để có thể ghép phổ HSQC với phổ H2BC thành một phổ duy nhất để giải phổ. Khi đó chỉ cần thực hiện quy tắc đơn giản "Hai ngang, Một dọc" là có thể nối các nút C thành "dây C" để dựng khung cấu trúc phân tử. Cụ thể quy tắc ấy như sau:

Giả sử ta đã có bộ dữ liệu 2 phổ HSQC và H2BC. Việc làm đầu tiên là bằng cách nào đó ghép (chồng khít) 2 phổ này thành 1 phổ duy nhất, với các pic Xanh là liên kết C-H (1J HSQC) và các pic Đỏ là liên kết C-C-H (2J H2BC). Lưu ý: Để xác định số nút Xanh hay Đỏ trên một hàng ngang (trục C), ta nêu một quy ước như sau: các cặp píc của CH2 bất đối xứng trên cùng hàng ngang C thì chỉ tính là Một píc (píc kép).

Sát thủ CCH

Bước quan trọng trong giải phổ chính là xác định khung cấu trúc, chủ yếu là xác định các liên kết C-H, trừ các phân tử quá nhỏ, rất đơn giản, nhìn lướt qua phổ đã xác định được cấu trúc, gán được phổ, không cần dựng khung. Khoảng 30 năm về trước, hai công cụ chính để xác định liên kết C-H là phổ HETCOR để xác định 1J(C-H) và phổ COLOC đối với 2J, 3J, thậm chí 4J. Sau này, phổ HETCOR và COLOC được thay thế tương ứng bằng 2 dạng phổ HMQC và HMBC là những phổ đo đảo có độ nhạy cao hơn nhiều. Gần đây, người ta có xu hướng thay thế phổ HMQC bằng kỹ thuật tương tự là phổ HSQC, vốn được dùng xác định liên kết N-H trong cấu trúc protein.

Mật mã trầm hương

Nữ hoàng Sheba là nhân vật huyền thoại nổi tiếng trong cổ sử Trung Đông và Kitô giáo. Nữ hoàng của vương quốc Sheba cổ đại bên bờ Địa Trung Hải mê hoặc hậu thế bởi câu chuyện tình lãng mạn giàu tính tiểu thuyết. Tương truyền rằng nữ hoàng đã mang theo một đoàn tùy tùng dắt những con lạc đà trên lưng tải nhiều của quý, tìm đến kinh thành Jerusalem để cầu thân với hoàng đế thông tuệ lừng danh Salomon. Theo đồn đại, vàng bạc, châu báu chỉ xếp hàng thứ hai, thứ ba trong số của cải nữ hoàng Sheba mang theo sang Jerusalem. Vị trí thứ nhất thuộc về trầm hương xứ Sheba, có nguồn gốc từ cây Boswellia Sacra, với mùi thơm đặc biệt, người đời sau gọi tên là Frankicense hay còn gọi là Trầm Sheba.

Giãn dân Proton

Phổ 1H NMR hay phổ COSY H-H có những vùng dày đặc, chồng chập tín hiệu, như vùng 1-2ppm của các steroid, vùng 2-3ppm của các terpen hay vùng 3-4ppm của các polysaccharide. Quá trình giải phổ rất dễ bị tắc nghẽn tại đây, không nhúc nhích được.

Sở dĩ có hiện tượng này vì độ địch chuyển hóa học của 1H "định cư" trong phạm vi quá chật hẹp, "chen chúc, giẫm đạp" nhau trong khoảng 10ppm phổ, trong khi đó "cư dân" C thường thưa thớt hơn, xông xênh, rộng rãi trong phạm vi cỡ 200ppm, gấp cỡ 10 lần so với 1H.

Thư ngỏ

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) dịch sang tiếng Việt là Cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN), là một trong những phương pháp phân tích đầu tay đối với hóa học hữu cơ và các lĩnh vực liên quan tới hóa hữu cơ như sinh hoc, y dược, môi trường, thực phẩm, ... NMR chủ yếu cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử dựa trên các thuộc tính từ (magnetic) và tương tác điện từ của các hạt nhân có mặt trong phân tử. NMR được chia thành 2 mảng chính là NMR cho mẫu dạng dung dịch, hòa tan (mẫu lỏng) và NMR cho mẫu dạng rắn. Trên thực tế, NMR cho mẫu lỏng phát triển hơn rất nhiều so với NMR cho mẫu rắn kể cả trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Đối tượng chính của NMR mẫu lỏng là các chất hữu cơ, từ các phân tử vừa và nhỏ tới các đại phân tử như protein, ADN, ...