Ville Telkki mullistaa NMR-spektroskopiaa

Teksti: Emilia Kilpua

Oulun yliopiston käytävät ovat toivottoman sokkeloisia. Pienen etsimisen jälkeen löydän kuitenkin kyltin, joka ohjaa NMR spektroskopian yksikköön. Täällä tehdään huippututkimusta alan kansainvälisessä kärjessä. Otin muutama viikko sitten yhteyttä Ville Telkkiin. Hän on akatemiantutkija ja johtaa kokeellista NMR-tiimiä. Haastattelu ajoittui oikein sopivasti, sillä Ville oli juuri kuullut saaneensa Euroopan tutkimusneuvoston kahden ja puolen miljoonan euron apurahan.

NMR tulee sanoista Nuclear Magnetic Resonance ja tarkoittaa siis ydinmagneettista resonanssia. NMR spektroskopian kehittivät toisistaan riippumatta 1940-luvun lopulla Edward Purcelin ryhmä Harvardin yliopistolla ja Felix Blochin ryhmä Stanfordin yliopistolla. Sekä Purcel ja Bloch saivat keksinnöstään vuonna 1952 fysiikan Nobelin palkinnon ja NMR tekniikan sovellutukset ovat poikineet myös kemian ja lääketieteen Nobeleita. Kyseessä on erityinen mittausmenetelmä, jolla on sovellutuksia aina lääketieteen saralta auton katalysaattoreiden filttereihin.

Ville työhuoneessaan Oulun yliopistolla.

Magneettisia hyrriä 

Pyysin aluksi Villeä kuvailemaan, mitä NRM-spektroskopiassa oikein tapahtuu. Menetelmä pohjautuu atomiytimen spinien muutoksiin ulkoisessa magneettikentässä. Atomiytimellä, joka koostuu parittomasta määrästä protoneja ja neutroneja, on nollasta poikkeava ”ydinspin” ja siihen liittyvät sisäinen impulssimomentti ja magneettinen dipolimomentti.  Klassisena analogiana atomiytimet voidaan ajatella pieninä magneettisina hyrrinä. Spin-impulssimomentti  ei voi saada mitä arvoja tahansa vaan se on kvantittunut.

Jos ulkoista magneettikenttää ei ole ydinspinit osoittavat satunnaisiin suuntiin. Voimakas ulkoinen kenttä taasen järjestää spinit ja kiertää ytimien pyörimisakselia. Pikkuhyrrien energia riippuu siitä miten ne ovat suuntautuneet  magneettikentässä ja se on myös kvanttittunut suure.  Lämpöliikkeestä johtuen läheskään kaikki spinit eivät kuitenkaan järjestäydy magneettikentän määrämällä tavalla. NMR-tekniikka vaatii siis hyvin voimakkaita magneetteja.

Järjestäytyneitä ytimiä häiritään radiopulssilla. Jos pulssin taajuus on sopiva ydin absorboi fotonin, kääntyy ja siirtyy korkeammalle energiatilalle.   Häirityt magneettiset pikkuhyrrät indusoivat virran näytettä ympäröivään kelaan, josta signaali lopulta mitataan.

Aivotutkimusta ja arkeologiaa

Mikä tekee NMR-spektroskopiasta niin loistavan menetelmän? Ville kertoo, että tekniikalla saadaan erittäin tarkkaa tietoa aineen avaruudellisesta rakenteesta, miten molekyylit virtaavat ja käyttäytyvät. ”Tärkeää on, ettei NMR-mittauksissa rikota näytettä. Lisäksi tutkimukset tehdään yleensä nesteessä, mikä on monissa sovellutuksissa se aineen luonnollinen olotila.”

NMR-spektroskopian käytännön sovellukset ovat valtaisat. Se on keskeinen materiaalifysiikan tutkimusmenetelmä ja sitä hyödynnetään myös biologian ja arkeologian tutkimuksessa.  Tekniikalla voidaan esimerkiksi havainnoida miten kaasut absorboituvat huokoisissa materiaaleissa. Lääketieteen sovellutuksista Ville mainitsee magneettikuvauksen ja syöpäsolujen aineenvaihdunnan. ”Voidaan sanoa, että NMR menetelmä on mullistanut neurologian ja aivotutkimuksen.”

Kemian ja fysiikan välimaastossa

Ala on kiehtova sekoitus fysiikkaa ja kemiaa. Ville kertoo, että hän julkaisee tuloksensa aina fysikaalisen kemian tai kemian lehdissä. Tiimissä lähes kaikilla on kuitenkin fyysikon koulutus. Tietoa tarvitaan molemmilta aloilta, mutta analyysimenetelmien kehitys perustuu fysikaaliseen ymmärtämiseen. ”Pohjimmaltaan NMR perustuu kvanttimekaniikkaan”, Ville muistuttaa. “Lisäksi ala vaatii vahvaa matemaattista osaamista.”

Menestyksen salaisuus perinteissä

Oululaisryhmän menestys kumpuaa Villen mukaan pitkistä perinteistä. Pääroolia tässä on näytellyt viitisen vuotta sitten eläkkeelle jäänyt professori Jukka Jokisaari. Jukka oli myös Villen ohjaaja ja hänen työnsä tuloksena ryhmän käyttöön on saatu kattava laboratorio. ”Mutta toisaalta on tärkeää myös uudistua” Ville muistuttaa. ”Uusi sukupolvi on hyödyntänyt tradition ja kehittänyt sen pohjalle omia juttujaan”.

Toiseksi merkittäväksi tekijäksi Ville mainitsee teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen vuorovaikutuksen. Villen ryhmän vierestä löytyy professori Juha Vaaran vetämä NMR-tutkimuksen teoriaryhmä. ”Naapurihuoneesta löytyy kovia alan asiantuntijoita. Aina voi mennä juttelemaan ja kysymään neuvoa.”

Ville esittelee Oulun laboratorion NMR-mittauslaitteistoa. Magneetin voimakkuus on 14.1 Teslaa. Suprajohdemagneetti jäähdytetään nestemäisellä heliumilla.

Alalle sattumalta

 Alalle Ville ajautui sattumalta. Hän opiskeli Oulun yliopistolla fysiikkaa ja matematiikka, mutta selkeää suunnitelmaa tulevaisuudelle ei ollut. Ville pärjäsi hyvin opinnoissaan, mutta motivaatio oli hieman kateissa. Kevättalvella 1999 hän törmäsi yliopiston käytävällä pariin opiskelukaveriin, jotka olivat matkalla keskustelemaan kesätöistä Jukka Jokisaaren kanssa ja lyöttäytyi mukaan. Ville oli porukasta ainoa, joka lopulta sai töitä. Tutkimustyö imaisi nopeasti mukaansa ja opinnotkin alkoivat taas innostaa.

NMR tutkimus on pitänyt Villen otteessaan kesätöistä lähtien. Hän väitteli vuonna 2006 ja vietti sen jälkeen puolitoista vuotta tutkijatohtorina Berkeleyn yliopistolla. Siellä tutkimus keskittyi kaasujen virtausten kuvaamiseen NMR:n etähavaisemismenetelmällä.

Uraauurtavia menetelmiä

Uudella miljoonarahoituksellaan Ville aikoo tehdä läpimurtoja NMR tutkimuksen saralla. Tavoitteena on luoda kokonaan uusi NMR menetelmien luokka. Tämä on hyvin harvinaista jo pitkään vakiintuneella alalla.

Perinteisessä moniulotteisessa NMR kokeessa mittauksia toistetaan jopa satoja kertoja ja havaintoajat ovat pitkiä. Vuonna 2010 Israelissa Weizmannin tiedeinstituutissa kehitettiin Lucio Frydmannin johdolla ultranopea NMR menetelmä. Tällä menetelmällä mittaus voidaan suorittaa vain yhdellä skannauksella.

Villen ERC-projektin ydinajatuksena on kasvattaa yhtä aikaa sekä havaintojen nopeutta että herkkyyttä moninkertaisiksi. Näin voidaan tutkia hyvin matalapitoisia näytteitä ja nopeita prosesseja. Tekniikan nimi on ultrafast Laplace NMR. Laplace NMR tarjoaa yksityiskohtaista tietoa molekyylien liikkeestä relaksaatio- ja diffuusiomittausten kautta. ”Sovellan avaruudellista koodaamista moniulotteisten Laplace NMR mittausten tekemiseen yhdellä skannauksella.”

Tulevaisuuden nousevaksi trendiksi Ville mainitsee kompaktit NMR laitteet. Niillä ei pysty tekemään yhtä tarkkoja mittauksia kuin isoilla laitteilla, mutta ne ovat huomattavasti edullisempia.  Herkkyys on sitä parempi mitä voimakkaampi ulkoinen magneettikenttä on kyseessä. Voimakkaat magneetit ovat vain hirmuisen kalliita, jopa kymmeniä miljoonia euroa. Maailmalla on Villen mukaan useita yrityksiä jotka satsaavat nimenomaan ”pöytä-NMR” laitteiden kehittämiseen. Teollisuussovellutuksina näissä on valtavasti kasvun varaa.  ”Yksi ERC-tutkimukseni sovelluskohteista ovatkin juuri nämä pienet NMR laitteet”.

Oululaiselle NMR-spektroskopian tutkimuksen menestykselle on siis tulossa jatkoa. Onnittelut vielä Villelle ERC-rahoituksesta!

Oulun yliopiston NMR ryhmän sivut

Oulun yliopiston tiedote Villen ERC rahoituksesta

Leave a Reply

Your email address will not be published.