Nová metoda kombinuje nulové až ultra-nízké pole NMR se speciální technologií hyperpolarizace k detekci alkoholů

Nová metoda kombinuje nulové až ultra-nízké pole NMR se speciální technologií hyperpolarizace k detekci alkoholů

Nukleární magnetická rezonance (NMR) je analytický nástroj se širokou škálou aplikací, včetně zobrazování magnetickou rezonancí, který se používá pro diagnostické účely v medicíně. NMR však často vyžaduje generování silných magnetických polí, což omezuje rozsah jeho použití. Vědci z Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) a Helmholtz Institute Mainz (HIM) nyní objevili nové způsoby, jak zmenšit velikost odpovídajících zařízení a také možné související riziko odstraněním silných magnetických polí. Toho je dosaženo kombinací tzv. nulového až ultra-nízkého pole NMR se speciální hyperpolarizační technikou. "Tato vzrušující nová metoda je založena na inovativním konceptu. Otevírá celou řadu možností a překonává předchozí nevýhody," říká doktorka Danila Barskiy, držitelka ceny Sofja Kovalevskaja, která od roku 2020 působí v příslušné disciplíně v JGU a HIM.

Nový přístup umožňující měření bez silných magnetických polí

Současná generace NMR přístrojů je extrémně těžká a drahá – kvůli magnetům. Dalším komplikujícím faktorem je současný nedostatek kapalného helia, které se používá jako chladicí kapalina. "S naší novou technikou postupně posouváme ZULF NMR ke stavu zcela bez magnetů, ale stále musíme překonat mnoho problémů," řekl Barskiy.

Aby byly magnety v tomto kontextu nadbytečné, Barskiy přišel s myšlenkou spojit nukleární magnetickou rezonanci s nulovým až ultranízkým polem (ZULF-NMR) se speciální technikou, která umožňuje hyperpolarizovat atomová jádra. ZULF NMR je sama o sobě nedávno vyvinutá forma spektroskopie, která poskytuje bohaté analytické výsledky bez potřeby velkých magnetických polí. Další výhodou oproti NMR s vysokým polem je skutečnost, že její signály lze snadno detekovat i v přítomnosti vodivých materiálů, jako jsou kovy. Senzory používané pro ZULF-NMR, typicky opticky čerpané magnetometry, jsou vysoce citlivé, snadno se s nimi manipuluje a jsou již komerčně dostupné. Sestavit ZULF NMR spektrometr je tedy relativně snadné.

SABRE Relay: Vysílejte rotační příkaz jako obušek

Produkovaný NMR signál je však problém, který je třeba řešit. Dosud používané metody pro generování signálu jsou vhodné pouze pro analýzu omezeného výběru chemikálií nebo jsou jinak spojeny s přemrštěnými náklady. Z tohoto důvodu se Barskiy rozhodl použít hyperpolarizační techniku ​​SABRE, která umožňuje zarovnat velké množství jaderných spinů v roztoku. Existuje řada takových technik, které by produkovaly signál dostatečný pro detekci za podmínek ZULF. SABRE, zkratka pro Signal Amplification by Reversible Exchange, se ukázal jako obzvláště vhodný. Základem techniky SABRE je kovový komplex iridia, který zprostředkovává přenos řádu rotace paravodíku na substrát. Barskiymu se podařilo obejít nevýhody dočasného navázání vzorku na komplex pomocí SABER-Relay, což je velmi nedávné vylepšení techniky SABRE. V tomto případě se SABRE používá k indukci polarizace, která je následně předána sekundárnímu substrátu.

Spinová chemie na rozhraní fyziky a chemie

Ve svém článku nazvaném „Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance“ publikovaném v Science Advances, Drs. Danila Barskiy, hlavní autor Erik Van Dyke a jejich spoluautoři, jak byli schopni detekovat signály pro metanol a etanol extrahovaný ze vzorku vodky. „Tento jednoduchý příklad ukazuje, jak jsme byli schopni rozšířit rozsah ZULF NMR pomocí nákladově efektivní, rychlé a všestranné metody hyperpolarizace,“ shrnuje Barskiy. "Doufáme, že jsme se posunuli blíže k našemu cíli umožnit vývoj kompaktních přenosných zařízení pro analýzu tekutin, jako je krev a moč, a v budoucnu potenciálně umožnit diskriminaci určitých chemikálií, jako je glukóza a aminokyseliny."

Danila Barskiy obdržela v roce 2020 cenu Sofji Kovalevskaja od Nadace Alexandra von Humboldta a následně se přestěhovala z Kalifornské univerzity v Berkeley do Mohuče, kde začal bádat ve skupině profesora Dmitrije Budkera na Ústavu fyziky a HIM na JGU. Barskiy pracuje v oblasti fyzikální chemie a vede výzkumnou skupinu zkoumající potenciální aplikace NMR v chemii, biologii a medicíně.

Zdroj:

Univerzita Johannese Gutenberga Mainz

Odkaz:

Van Dyke, ET, a kol. (2022) Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance. Vědecké pokroky. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.