ન્યૂક્લિયર ચુંબકીય અનુનાદ (nuclear magnetic resonance – NMR) (ભૌતિકશાસ્ત્ર)

ન્યૂક્લિયર ચુંબકીય અનુનાદ (nuclear magnetic resonance – NMR) (ભૌતિકશાસ્ત્ર) : રેડિયો-આવૃત્તિવાળા વિકિરણનું, દ્રવ્ય વડે શોષણ થવાથી જોવા મળતી અસર. પરમાણુની ન્યૂક્લિયસ, પોતાના દ્રવ્યમાન કેન્દ્રમાંથી પસાર થતા અક્ષની આસપાસ ચક્રીય ગતિ કરતી હોય છે. પરિણામે તે પ્રચક્રણ (spin) ધરાવે છે. પ્રચક્રણ કરતી ન્યૂક્લિયસ ચુંબકીય ચાકમાત્રા પણ ધરાવે છે, જે કાયમી ચુંબકત્વ ધરાવતા પદાર્થનો એક ગુણધર્મ છે. ચુંબકીય ચાકમાત્રા વડે ચુંબકીય પ્રબળતા જાણી શકાય છે. બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં ચુંબકીય ચાકમાત્રા ક્ષેત્રની દિશાની આસપાસ પુરસ્સરણ (precessional) ગતિ કરે છે. ચુંબકીય ચાકમાત્રાના અમુક જ દિગ્વિન્યાસ (orientation) માન્ય હોય છે અને તે દરેકની ઊર્જામાં થોડોક તફાવત હોય છે.

વિવિધ પ્રકારના પરમાણુઓ આવી ઘટના દર્શાવે છે, જે ચુંબકીય બળ ઉપર આધારિત હોય છે. પરમાણુઓ ક્વૉન્ટીકૃત (quantised) ન્યૂક્લિયર પ્રચક્રણ વ્યક્ત કરે છે. ચુંબકીય ચાકમાત્રા ધરાવતી ન્યૂક્લિયસને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખવામાં આવે ત્યારે જુદા જુદા મૂલ્યવાળા ન્યૂક્લિયર ઊર્જાસ્તરો પેદા થાય છે. આવા ઊર્જાસ્તરો વચ્ચે, યોગ્ય રેડિયો-આવૃત્તિના વિકિરણ દ્વારા વર્ણપટીય સંક્રાંતિ(spectral transition)ને ઉત્તેજિત કરી શકાય છે.

પ્રયોજિત રેડિયો-આવૃત્તિનો, ન્યૂક્લિયસ માટે જરૂરી સંક્રાંતિ-આવૃત્તિની સાથે તાલ (matching) મળવાથી જે આંતરક્રિયા થાય છે, તેને અનુનાદ કહે છે. અનુનાદની પ્રક્રિયાને આધારે સંક્રાંતિ-આવૃત્તિઓનો વર્ણપટ તૈયાર કરવામાં આવે છે, જેને આધારે નમૂનારૂપ પદાર્થના બંધારણ અને તેના અણુની સંરચનાને લગતી માહિતી મળે છે. આ પદ્ધતિથી પદાર્થ ઉપર કોઈ પણ જાતની વિપરીત અસર થતી નથી. તેથી સજીવ પ્રણાલીઓના રાસાયણિક પદાર્થોના અભ્યાસ માટે અનુનાદની પદ્ધતિને લાગુ પાડી શકાય છે. પાણીના અણુમાં રહેલા પ્રોટૉન સાથે રેડિયો-આવૃત્તિને સમસ્વરિત (tune) કરવામાં આવે, ત્યારે X-કિરણો વડે મળતી તસવીરની જેમ, માનવ-શરીરરચના(anatomy)ની તસવીરો મેળવી શકાય છે. આ પદ્ધતિનો મોટો ફાયદો એ છે કે તેનાથી કોઈ પણ જાતના વિકિરણની વિકૃત અસરો (radiation hazards) થતી નથી.

પ્રચક્રણ કરતી અશૂન્ય કોણીય વેગમાન(non-zero angular momentum)વાળી ન્યૂક્લિયસ, સૂક્ષ્મ ચુંબકની જેમ વર્તે છે. પદાર્થને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખવામાં આવે ત્યારે પદાર્થમાં રહેલા સૂક્ષ્મ ન્યૂક્લિયર ચુંબકો અમુક જ માન્ય દિગ્વિન્યાસ ધારણ કરે છે. આવી ન્યૂક્લિયસને યોગ્ય સંક્રાંતિ-આવૃત્તિની ઊર્જા આપવાથી તેને મૂળ સ્થિતિમાં લાવી શકાય છે. આવી યોગ્ય આવૃત્તિ એક જ હોય છે, જેનું મૂલ્ય જુદા જુદા પરમાણુઓ સાથે બદલાતું હોય છે.

ન્યૂક્લિયર ઊર્જાસ્તરો વચ્ચેનું અંતર વિક્ષોભ ઉત્પન્ન કરનાર ચુંબકીય ક્ષેત્રના સમ પ્રમાણમાં હોય છે.  પ્રયોજિત ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ફેરફાર કરવાથી ન્યૂક્લિયસની સંક્રાંતિ-આવૃત્તિ બદલી શકાય છે. પરિણામે ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ફેરફાર કરવાથી ન્યૂક્લિયર ચુંબકીય અનુનાદ(NMR)-વર્ણપટ મેળવી શકાય છે અને ઊર્જાસ્તરો વચ્ચેના અંતરને કિરણિત (irradiating) આવૃત્તિને અનુરૂપ ગોઠવી શકાય છે. બીજી રીતમાં, ચુંબકીય ક્ષેત્રને અચળ રાખીને કિરણિત આવૃત્તિને પણ બદલી શકાય છે.

ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને આવૃત્તિના આ ખાસ સંબંધ વડે તૈયાર કરેલ NMR વર્ણપટનો ઉપયોગ કરીને અણુના બંધારણનો અભ્યાસ કરી શકાય છે. કાર્બનિક (organic) અણુમાં એક જ પ્રકારના ઘણા પરમાણુઓ હોય છે. એક જ જાતના પરમાણુઓ પ્રયોજિત ચુંબકીય ક્ષેત્ર પરત્વે એકસરખો પ્રતિભાવ આપતા હોય છે, પણ પરમાણુઓની રાસાયણિક પરિસ્થિતિ ભિન્ન હોવાથી તે બધા ચુંબકીય ક્ષેત્રનો એકસરખો અનુભવ કરતા નથી. આથી બધી ન્યૂક્લિયસ એક જ આવૃત્તિએ અનુનાદ કરતી નથી. પદાર્થની પ્રત્યેક ન્યૂક્લિયસ તેની પરિસ્થિતિને લગતી માહિતીનું આલેખન કરે છે. આ માહિતીને આધારે અણુસંરચના જાણી શકાય છે. રાસાયણિક રીતે અસમાન બે ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે સંક્રાંતિ-આવૃત્તિના સૂક્ષ્મ વર્ણપટીય વિસ્થાપન(shift)ને રાસાયણિક વિસ્થાપન કહે છે. આ વિસ્થાપન સૂક્ષ્મ અને લગાડવામાં આવેલા ચુંબકીય ક્ષેત્રના સમ પ્રમાણમાં હોઈ તેને PPM(Parts Per Million)ના એકમમાં દર્શાવવામાં આવે છે અને તેને પ્રમાણભૂત પદાર્થની અનુનાદ-આવૃત્તિ સાથે સરખાવવામાં આવે છે. બજારમાં NMR સ્પેક્ટ્રોમીટર સૌપ્રથમ વાર 1953માં મૂકવામાં આવ્યાં. બીજા તબક્કામાં ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ઉપયોગથી આ સાધનની કાર્યક્ષમતા વધારી શકાઈ, ત્રીજા તબક્કામાં આ સાધનને સંકલિત પરિપથ (integrated circuits) અને કમ્પ્યૂટર વડે સજ્જ કરી વધુ સુવિધાપૂર્ણ બનાવવામાં આવ્યું.

NMR સ્પેક્ટ્રોમીટરની અદ્યતન આવૃત્તિ એટલે ચુંબકીય અનુનાદ ચિત્રણ (magnetic resonance imaging – MRI) પ્રયુક્તિ વડે શરીરની અંદરના ઊતક(tissue)ની છબી લઈ શકાય છે, જેને આધારે તબીબ રોગ, અસ્વસ્થતા અને ઈજાનું નિદાન કરી શકે છે.

MRI એવી પ્રયુક્તિ છે, જેના વડે શરીર ઉપર કોઈ પણ જાતની શસ્ત્રક્રિયા કર્યા સિવાય શરીરના આંતરિક અસામાન્ય રોગનું નિદાન કરી શકાય છે. X-કિરણો વડે નિદાન કરતાં દર્દીને વિકિરણની સામે ઊભો રાખવો પડે છે, જ્યારે MRI માં તેવા કોઈ હાનિકારક વિકિરણનો સવાલ પેદા થતો નથી. એટલે આ પદ્ધતિ તદ્દન સલામત છે.

MRI પ્રયુક્તિમાં પ્રબળ ચુંબકનો ઉપયોગ થાય છે, પણ કૃત્રિમ સાંધા માટે તેનો ઉપયોગ થઈ શકતો નથી. MRIમાં વિશાળ નળાકાર ચુંબક, રેડિયો-તરંગો મોકલવા અને મેળવવાની પ્રયુક્તિ ઉપરાંત આધુનિક કમ્પ્યૂટર હોય છે. દર્દીને નળાકારમાં સુવાડવામાં આવે છે. રેડિયો-તરંગની આવૃત્તિ પરમાણુની આવૃત્તિ જેટલી થાય, એટલે કે અનુનાદ થાય, ત્યારે શરીરના કેટલાક પરમાણુઓની ન્યૂક્લિયસ ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે એક રેખામાં ગોઠવાઈ જાય છે. આ પરિસ્થિતિમાં ન્યૂક્લિયસ, રેડિયો-તરંગની ઊર્જાનું શોષણ કરે છે. રેડિયોતરંગનું ઉડ્ડયન બંધ પડતાં ન્યૂક્લિયસ મૂળ અવસ્થામાં પાછી આવી જાય છે અને મંદ રેડિયો-તરંગ-સ્વરૂપે ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કરે છે. સંકેતની પ્રબળતા અને લંબાઈ એટલે કે છબીનો પ્રકાર ઊતકના ગુણધર્મો ઉપર આધારિત છે. કમ્પ્યૂટર આવા સંકેતનો વિગતવાર આડછેદ તૈયાર કરે છે, જેને આધારે માહિતી મળે છે.

MRI વડે માથા, કરોડરજ્જુ, પેટ, છાતી અને સાંધાનો અભ્યાસ કરી શકાય છે. અર્બુદ (tumour), રક્તાભિસરણતંત્ર(blood circulation system)ના રોગો, જન્મજાત ખોડખાંપણો અને ઈજાઓની માહિતી MRI વડે  મળી રહે છે.

MRI પ્રયુક્તિ ખૂબ જ ખર્ચાળ છે. તેને સાચવવા ખાસ સગવડો આવશ્યક છે તેથી આ સાધન તો મોટી હૉસ્પિટલોને જ પોસાય તેમ છે. NMR પ્રયુક્તિનો ઉપયોગ ખાસ કરીને રાસાયણિક અને વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રે અને MRIનો ઉપયોગ તબીબી ક્ષેત્રે થાય છે.

આશા પ્ર. પટેલ