Témavezető: Prof. Jánossy András  

Tanszék/Intézet: Fizika Tanszék, Fizikai Intézet 

Gd₃N@C₈₀ fullerén MRI kontrasztanyag molekula elektronspin-rezonancia vizsgálata   

Motiváció, a téma rövid bemutatása

    A modern orvosi diagnosztika eszköztárának fontos és hatékony eleme a mágneses rezonanciás képalkotás (MRI). Az MRI vizsgálatok során kapott képek felbontásának javítására ún. kontrasztanyagokat alkalmaznak, melyeket a vizsgált személybe juttatva az esetleges rendellenességek sokkal pontosabb és korábbi feltérképezése lehetséges. Ezzel, a kezelés megfelelő időben való elkezdése révén, a betegek gyógyulási esélyeit nagyban növelik. A kontrasztanyagok jelentőségét jól demonstrálja az alábbi kép, melyen agyvérzés után készült MRI felvételeket láthatunk. A bal oldali kép kontrasztanyag nélkül, a jobb oldali pedig annak alkalmazásával készült. A különbség szemmel látható: 

   

    A napjainkban alkalmazott kontrasztanyagokról azonban kiderült, hogy jelentős egészségkárosító hatásuk van, mely alkalmazhatóságukat erősen visszaveti. Ez motiválja olyan anyagok kutatását, mely az MRI vizsgálatok kontrasztját úgy növeli nagymértékben, hogy közben a vizsgált személyekben nem okoz maradandó károsodást.
    Állatkísérletek alapján, a néhány éve felfedezett, Gd₃N@C₈₀ endoherdális fullerén alkalmasnak bizonyulhat erre a feladatra. [1] Több elméleti és kísérleti kutatás történt a molekula megismerésére, azonban a mágnességének pontos megértése a mai napig nyitott kérdés. Az ilyen jellegű kérdések megválaszolására kiválóan alkalmas kísérleti módszer az elektronspin-rezonancia (ESR). Kutatásom témája ennek az anyagnak az elektronspin-rezonanciás vizsgálata volt.   

A kutatás körülményeinek rövid bemutatása

    Az ESR elméleti alapjait, az alacsony hőmérsékleti technikák és a nagy mágneses terű ESR spektrométer használatát 2011 tavaszán a BME Fizika Tanszékén sajátítottam el. Kísérleteimet 2011 júniusában az École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Svájc) nagy mágneses terű ESR-laborjában végeztem Prof. Forró László, Antal Ágnes és Náfrádi Bálint közreműködésével, segítségével. A vizsgált mintát Kováts Éva állította elő a Központi Fizikai Kutató Intézetben (KFKI). A sztatikus mágnesezettség mérését Kiss László végezte szintén a KFKI-ban.  

 Endohedrális fullerének, az anyagcsalád 

    A buckminsterfullerén (C₆₀) felfedezésével együtt merült fel az ötlet, hogy a C₆₀ molekula belsejébe valamilyen atomot, molekulát juttassanak. [2] A focilabda alakú molekula 1985-ös felfedezését követően hat évet kellett várni az első ilyen molekula, a La@C₈₂ előállítására [3] (a „@” azt jelöli, hogy a tőle balra elhelyezkedő atom vagy molekula a „@” jobb oldalán találhatónak a belsejébe ágyazódva helyezkedik el). Ez a felfedezés a szénmolekulák egy teljesen új, az endohedrális fullerének családjának a megszületéséhez vezetett.
    Az endohedrális fulleréneknek két típusa van. Az első, az ún. endohedrális metallofullerének valamilyen fémet tartalmazó molekulát (vagy fémes atomot) fogadnak magukba. Ezzel szemben áll a másik nagy csoport, a nemfémmel dópolt endohedrális fullerének csoportja.
   A Sc₃N@C₈₀ 1999-es előállítása [4], az endohedrális metallofullerének egy új csoportjának, a nitrid klaszter fullerének (NCF, „nitrid claster fullerene”) megjelenéséhez vezetett. Ebbe a csoportba tartozik az általunk is vizsgált Gd₃N@C₈₀. 
  Az M₃N@C₈₀ (M=Lu, Tb, Y, Sc, Gd ...) szerkeztű NCF-ekre jellemző, hogy a beágyazott molekula és a szénváz között erős kölcsönhatás van, ezért a teljes molekula rendkívül stabil. Jellemző továbbá, hogy a klasztert alkotó atomok egy síkban helyezkednek el, ez alól kivétel a Gd₃N@C₈₀, ahol a négy atom egy tetraéder négy csúcsában található.

A Gd₃N@C₈₀, megválaszolandó kérdések

    Az MRI vizsgálatok számára egy anyag akkor alkalmas kontrasztanyagnak, ha nagy mágneses momentummal rendelkezik, ugyanakkor megfelelően stabil ahhoz, hogy káros anyag közvetlenül ne juthasson a szervezetbe. Erre a szerepre, az általunk is vizsgált, Gd₃N@C₈₀ jó eséllyel pályázhat, ugyanis az erős szénváz megakadályozhatja, hogy a nagy mágneses momentummal rendelkező, ám rendkívül mérgező Gd³⁺ ionok (véglegesen) az emberi szervezetbe jussanak.
    Ahhoz, hogy a klinikai gyakorlatban jól alkalmazható kontrasztanyagot kapjunk a fentieken túl az is szükséges, hogy az vízben oldható legyen. Az először 2010-ben előállított Gd₃N@C₈₀[DiPEG5000(OH)_x] (PEG=poli(etilénglikol)) a fenti követelményeknek megfelelőnek tűnő anyag, ugyanis vízben oldható és a patkányokon végzett kísérletek szerint az MRI vizsgálatok kontrasztját mintegy 20-szorosára javítja. [1]

     Az alábbi ábrán Zhang és társainak ezen kísérletéből láthatunk egy részletet. A két szélső képen a kontroll csoportról készült (daganat nélküli szelet), a középső a vizsgált, daganatos rész. A daganat fekete területként jelenik meg (fehér körrel bejelölve). A befecskendezése után három és fél órával a kontrasztanyag már kellőképpen eloszlott a daganatban, jelentősen növelne a felvétel kontrasztját. (Figyelemreméltó, hogy ezen felvételek készítéséhez nagyon kéves, 23,5 nanomol kontrasztanyagot használtak.)

  Az elméleti számítások, kísérleti eredmények rámutattak a szénváz és a klaszter közötti erős kölcsönhatásra, azonban nyitott kérdés maradt a molekula belsejében található Gd³⁺ ionok mágneses momentumának kölcsönhatása, rendeződése. (Ha a mágneses momentumok egy irányba állnak, akkor erősítik egymást. Ezt nevezzük ferromágneses rendeződésnek. Ha egymással ellentétes irányba állnak, akkor egymás hatását gyengítik. Ezt antiferromágnes rendeződésnek nevezzük.)

    A Sc₃N@C₈₀ -on végzett kísérletekben belső mozgásra (forgásra) utaló mérési eredmények születtek. A számolások alapján a Gd₃N@C₈₀ esetén az ehhez leküzdendő energiagát nagysága több, mint kétszerese a Sc₃N@C₈₀-re számoltnál. [5] Így a Gd₃N@C₈₀ esetén a belső mozgás valószínűsége sokkal kisebb. 

   Kísérleteink során két kérdés körüljárására koncentráltunk: milyen kölcsönhatás van a három Gd³⁺ ion között és milyen a mozgási állapota (az alábbi ábrán látható) Gd₃N@C₈₀ endohedrális fullerénnek. 

Kísérleti módszerek, elméleti modell

    A fentiekben leírt kérdések megválaszolására elektronspin-rezonanciás (ESR) méréseket végeztem nagy mágneses térben (16 Tesla), alacsony hőmérséklettől (2K) szobahőmérsékletig. Ezek voltak az első sikeres ESR mérések Gd₃N@C₈₀-on.
    Az ESR mérések lényege (nagyon leegyszerűsítve) az, hogy a vizsgált anyagot (nagy) mágneses térbe helyezzük, majd mikrohullámot bocsátunk rá. A mágneses tér változtatása mellett mérjük a mintáról visszaverődő mikrohullám intenzitását, melyben a mágneses tér nagyságának bizonyos értéke(i) („rezonancia tér”) esetén drasztikus változás következik be. Ezekből következtetni lehet, a mintában jelenlévő atomi szintű kölcsönhatásokra, esetleges mozgásra.
    A minta mágnesezettségének mérését Kiss László végezte el a Központi Fizikai Kutató Intézetben (KFKI), szupravezető kvantum-interferométer (SQUID) segítségével.
    Az alacsony hőmérsékleti ESR és a sztatikus mágnesezettség mérések eredményeinek értelmezésére kvantummechanikai, termodinamikai modellt építettem fel. Ebben a modellben azt feltételeztem, hogy a három gadolínium ion mágneses momentuma között alacsony hőmérsékleten erős ferromágneses kölcsönhatás van (így a momentumok rendeződnek) és egyetlen (háromszor akkora) mágneses momentummal, magas hőmérsékleten pedig három független momentumként írhatjuk le a rendszert.

Eredmények, kitekintés

    Az elméleti modell paramétereinek megfelelő megválasztásával alacsony hőmérsékleten (2K) a számolt és a mért ESR spektrumok között jó egyezést kaptam. A modell alkalmas volt e mérési eredmények kvalitatív értelmezésére. A magasabb hőmérsékleti ESR spektrumokból megállapítható, hogy a molekula 20K környékén elkezd forogni. Még magasabb hőmérsékleteken a molekula forgása tovább gyorsul. Ezek az eredmények az elméleti várakozások tükrében (nem valószínű a molekula forgása) különösen érdekesek, értékese. 

    Az alábbi ábra a mért ESR-jeleket mutatja a hőmérséklet függvényében. Az 11,24T-nál látható függőleges vonal a referenciának a jele. A mintából származó jelek alacsony hőmérsékleten (2-20K) 9,92 és 13,72T-nál láthatóak. A hőmérséklet növekedésével ezek a jelek folyamatosan eltűnnek és helyettük a referencia jelével megegyező helyen nő fel egy csúcs. Ez a folyamat utal a molekula forgásának beindulására. A forgás gyorsulására ezen egy csúcs szélességének csökkenéséből következtethetünk. 

 

    A sztatikus mágnesezettség mérési eredményei alátámasztották a modellnek a minta mágneses tulajdonságaira vonatkozó feltételezéseit. Ezzel sikerült kísérletileg igazolni a Gd³⁺ ionok mágneses momentumának ferromágneses rendeződését alacsony hőmérsékleten. 

     Az alábbi ábrán feketével a mért, pirossal pedig az elméleti modell alapján számolt mágnesezettség értékek láthatóak 1,8 és 300K-en. (Az alacsony hőmérsékleti eredményeknél nem a görbe pontos alakja a fontos, hanem az, hogy milyen értéknél telítődik a mágnesezettség. Az egyezés ebben az értelemben nagyon jó.)

    A téma folytatási lehetőségei között szerepel az elméleti modell pontosítása, kiterjesztése a magas hőmérsékleti ESR jelek leírására. Kísérleti szempontból pedig érdekes kérdés annak eldöntése, hogy az egész Gd₃N@C₈₀ molekula vagy csak a Gd₃N klaszter kezd el forogni?

Kapcsolódó publikációk, hivatkozások listája

Nemzetközi konferencia poszter: 2012 március Kirchberg, the 26th International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials (IWEPNM), absztrakt letölthető (lásd 99. oldal)

Várható publikáció megjelenése a Journal of Chemical Physics-ben.

Hivatkozások:.

[1] J. Zhang et al., Bioconjugate Chem., 2010, 21 (4), pp 610–615
[2] H. W. Kroto et al. Nature, 318. 162-163 . (1985)
[3] Yan Chai et al. J. Phys. Chem., 1991, 95 (20), pp 7564–7568
[4] S. Stevenson et al. Nature 401, 55-57 (1999)
[5] J.Lu et al. J. Phys. Chem. B, 2006, 110 (47), pp 23637–23640