Ny metode kombinerer nul til ultra-lavfelt NMR med speciel hyperpolariseringsteknologi til at detektere alkoholer

Ny metode kombinerer nul til ultra-lavfelt NMR med speciel hyperpolariseringsteknologi til at detektere alkoholer

Kernemagnetisk resonans (NMR) er et analytisk værktøj med en bred vifte af anvendelser, herunder magnetisk resonansbilleddannelse, som bruges til diagnostiske formål inden for medicin. Imidlertid kræver NMR ofte generering af stærke magnetiske felter, hvilket begrænser omfanget af dets anvendelse. Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu opdaget nye måder at reducere størrelsen af ​​tilsvarende enheder og også den mulige associerede risiko ved at eliminere stærke magnetiske felter. Dette opnås ved at kombinere såkaldt nul til ultra-lavfelt NMR med en speciel hyperpolariseringsteknik. "Denne spændende nye metode er baseret på et innovativt koncept. Den åbner op for en lang række af muligheder og overvinder tidligere ulemper," siger Dr. Danila Barskiy, Sofja Kovalevskaja-prisvinder, som har arbejdet i den relevante disciplin hos JGU og HIM siden 2020.

Ny tilgang til at muliggøre målinger uden stærke magnetfelter

Den nuværende generation af NMR-enheder er ekstremt tung og dyr - på grund af magneterne. En anden komplicerende faktor er den nuværende mangel på flydende helium, som bruges som kølemiddel. "Med vores nye teknik bevæger vi gradvist ZULF NMR mod en fuldstændig magnetfri tilstand, men vi har stadig mange udfordringer at overvinde," sagde Barskiy.

For at gøre magneter overflødige i denne sammenhæng kom Barskiy med ideen om at kombinere nul til ultra-lavfelt kernemagnetisk resonans (ZULF-NMR) med en speciel teknik, der gør det muligt at hyperpolarisere atomkerner. ZULF NMR er i sig selv en nyudviklet form for spektroskopi, der giver rige analytiske resultater uden behov for store magnetfelter. En anden fordel i forhold til højfelt NMR er det faktum, at dets signaler let kan detekteres selv i nærværelse af ledende materialer såsom metaller. De sensorer, der bruges til ZULF-NMR, typisk optisk pumpede magnetometre, er meget følsomme, nemme at håndtere og allerede kommercielt tilgængelige. Det er således relativt nemt at samle et ZULF NMR-spektrometer.

SABRE Relæ: Send rotationskommando som en stafet

Det producerede NMR-signal er imidlertid et problem, der skal løses. De metoder, der hidtil er brugt til at generere signalet, er kun egnede til at analysere et begrænset udvalg af kemikalier eller er på anden måde forbundet med ublu omkostninger. Af denne grund besluttede Barskiy at bruge SABRE-hyperpolariseringsteknikken, som tillader et stort antal nukleare spins at blive justeret i opløsning. Der er en række sådanne teknikker, der ville producere et signal, der er tilstrækkeligt til detektion under ZULF-betingelser. SABRE, forkortelse for Signal Amplification by Reversible Exchange, har vist sig at være særligt velegnet. I hjertet af SABRE-teknikken er et iridiummetalkompleks, der medierer overførslen af ​​spin-rækkefølgen af ​​parahydrogen til et substrat. Barskiy har formået at omgå ulemperne ved midlertidigt at binde prøven til komplekset ved at bruge SABER-Relay, en meget nylig forbedring af SABER-teknikken. I dette tilfælde bruges SABRE til at inducere polarisering, som derefter sendes videre til et sekundært substrat.

Spinkemi i grænsefladen mellem fysik og kemi

I deres papir med titlen "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" offentliggjort i Science Advances, Drs. Danila Barskiy, hovedforfatter Erik Van Dyke og deres medforfattere, hvordan de var i stand til at detektere signalerne for methanol og ethanol ekstraheret fra en prøve af vodka. "Dette enkle eksempel viser, hvordan vi var i stand til at udvide omfanget af ZULF NMR ved hjælp af en omkostningseffektiv, hurtig og alsidig metode til hyperpolarisering," opsummerer Barskiy. "Vi håber, at vi er kommet tættere på vores mål om at muliggøre udviklingen af ​​kompakte, bærbare enheder til at analysere væsker såsom blod og urin og i fremtiden potentielt muliggøre diskrimination af visse kemikalier såsom glucose og aminosyrer."

Danila Barskiy modtog en Sofja Kovalevskaja-pris fra Alexander von Humboldt Foundation i 2020 og flyttede efterfølgende fra University of California, Berkeley til Mainz, hvor han begyndte at forske i gruppen af ​​professor Dmitry Budker ved Institute of Physics og HIM ved JGU. Barskiy arbejder inden for fysisk kemi og leder en forskningsgruppe, der udforsker de potentielle anvendelser af NMR i kemi, biologi og medicin.

Kilde:

Johannes Gutenberg Universitet Mainz

Reference:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Relæet hyperpolarisering til nulfelts kernemagnetisk resonans. Videnskabelige fremskridt. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.