Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Химики используют ЯМР для подтверждения результатов синтеза активных ингредиентов в противовирусных препаратах вроде тамифлю или в аспирине, приготавливая раствор вещества и убеждаясь, что в спектре есть все нужные сигналы как для изотопа ¹Н, так и для изотопа ¹³С. Именно так работают специалисты в области органического синтеза и медицинской химии, когда анализируют многообещающие новые молекулы, выделенные из природных источников, их синтетические модификации, а также совершенно новые искусственные соединения.

Чтобы рассмотреть опухоль в мозге, нам нужно применить эту технику немного иным образом. При определенной силе магнитного поля молекулам воды, присутствующим во всех частях нашего тела, потребуется конкретная энергия, радиоимпульс, чтобы перейти на более высокий квантовый уровень. Это называется энергией резонанса, а детектируем мы уже тот радиосигнал, который ядра посылают, спускаясь обратно к подножию горы. Чем сильнее этот сигнал, тем больше в теле молекул воды.

Уловка, которую используют в аппарате МРТ, заключается в том, чтобы создать разное магнитное поле[265] для каждой части тела. Представьте, что тело делят на крошечные кубики, в каждом из которых свое магнитное поле. Каждый кубик отправит нам особый радиосигнал, и сила этого сигнала покажет нам, сколько воды содержится в этом кубике. А вот и неожиданный поворот: все органы, а также все опухоли обладают немного разной концентрацией воды, так что изображение, которое мы можем построить (при условии, что мы можем отслеживать силу магнитного поля в каждом кубике), покажет нам внутреннее устройство тела.

Кажется, что все это очень далеко от южной части периодической таблицы, где мы найдем элемент гадолиний, почти неизвестный вне круга химиков-неоргаников и, как выясняется, специалистов в области МРТ. В таких сложных устройствах есть несколько вариантов, где может обнаружиться какой-то экзотический элемент: в полупроводниках, магнитах, детекторах радиоволн, аналогово-цифровых преобразователях. Но, как ни удивительно, этот довольно токсичный металл выступает в роли контрастного агента – вещества, которое делает изображения наших внутренних органов, особенно мозга, гораздо более четкими, благодаря чему врачам легче их расшифровывать.

Если вам не повезло и у вас были серьезные проблемы с гастроскопией, то вам, возможно, делали обычный рентгеновский снимок, которому предшествовал прием внутрь бария, а точнее, нерастворимого сульфата бария. Атомы бария поглощают фотоны рентгеновских лучей и не дают им ударяться о фотографическую пленку (либо, как в наши дни, о специальную пластину, которую мы коротко упомянули в главе 7); таким образом получаются более четкие черно-белые изображения кишечника. Казалось бы, ионы гадолиния тоже должны поглощать радиоволны, но барий и гадолиний работают совершенно по-разному, хотя функция у них одна: усилить контраст между органами, в которых присутствует вещество, и окружающими их тканями.

Мы можем представить себе ядерные спины – маленькие ядерные магниты – в виде заводных игрушечных машинок. Основное состояние аналогично незаведенной машинке, припаркованной в коробке с игрушками. А возбужденное состояние, как мы предпочитаем называть высокоэнергетическое состояние, – это заведенная, но пока не отпущенная машинка. Когда вы отпускаете ключ, ходовая пружина высвобождается и машинка с шумом несется вперед. Чем больше машинок, тем больше шума, и именно этот шум мы регистрируем – он соответствует радиосигналу МРТ. Если сделать это всего один раз, сигнал получится очень слабым, поэтому нам нужно снова завести машинки, отпустить их, скомбинировать сигналы от разных запусков и повторять это до тех пор, пока мы не получим изображение приемлемого качества.

Кажется, что все это не слишком сложно, однако проблема в том, что нам приходится довольно долго ждать, пока пружина полностью раскрутится и машинка остановится, чтобы снова ее завести. И вот тут в дело вступает гадолиний в форме ионов Gd³⁺. У знакомых нам со школьной скамьи ионов электроны обычно были разбиты на пары. У вездесущего иона натрия +1 десять спаренных электронов, у отрицательно заряженного иона хлора – девять пар (то есть всего 18 электронов). У иона Gd³⁺, напротив, семь неспаренных электронов на внешней оболочке (и еще 54 спаренных поближе к ядру), что в некотором роде является рекордом. Поскольку непарный электрон, подобно ядру ¹Н, ведет себя как крошечный магнит, легко предположить, что он каким-то образом будет влиять на молекулы воды.

Рисунок 44. Южная часть Периодической таблицы – царство лантаноидов.