Νέα μέθοδος συνδυάζει NMR μηδενικού έως εξαιρετικά χαμηλού πεδίου με ειδική τεχνολογία υπερπόλωσης για την ανίχνευση αλκοολών

Νέα μέθοδος συνδυάζει NMR μηδενικού έως εξαιρετικά χαμηλού πεδίου με ειδική τεχνολογία υπερπόλωσης για την ανίχνευση αλκοολών

Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) είναι ένα αναλυτικό εργαλείο με ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού, το οποίο χρησιμοποιείται για διαγνωστικούς σκοπούς στην ιατρική. Ωστόσο, το NMR απαιτεί συχνά τη δημιουργία ισχυρών μαγνητικών πεδίων, γεγονός που περιορίζει το εύρος της χρήσης του. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz (JGU) και στο Helmholtz Institute Mainz (HIM) ανακάλυψαν τώρα νέους τρόπους για να μειώσουν το μέγεθος των αντίστοιχων συσκευών και επίσης τον πιθανό κίνδυνο που σχετίζεται με την εξάλειψη των ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας το λεγόμενο NMR μηδενικού έως εξαιρετικά χαμηλού πεδίου με μια ειδική τεχνική υπερπόλωσης. "Αυτή η συναρπαστική νέα μέθοδος βασίζεται σε μια καινοτόμο ιδέα. Ανοίγει μια ολόκληρη σειρά από δυνατότητες και ξεπερνά τα προηγούμενα μειονεκτήματα", λέει η Δρ Danila Barskiy, βραβευμένη με το βραβείο Sofja Kovalevskaja, η οποία εργάζεται στον σχετικό κλάδο στο JGU and HIM από το 2020.

Νέα προσέγγιση για τη δυνατότητα μετρήσεων χωρίς ισχυρά μαγνητικά πεδία

Η τρέχουσα γενιά συσκευών NMR είναι εξαιρετικά βαριά και ακριβή - λόγω των μαγνητών. Ένας άλλος παράγοντας που περιπλέκει είναι η τρέχουσα έλλειψη υγρού ηλίου, το οποίο χρησιμοποιείται ως ψυκτικό. «Με τη νέα μας τεχνική, μετακινούμε σταδιακά το ZULF NMR προς μια κατάσταση εντελώς χωρίς μαγνήτες, αλλά έχουμε ακόμα πολλές προκλήσεις να ξεπεράσουμε», είπε ο Barskiy.

Για να κάνει τους μαγνήτες περιττούς σε αυτό το πλαίσιο, ο Barskiy σκέφτηκε να συνδυάσει πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό μηδενικού έως εξαιρετικά χαμηλού πεδίου (ZULF-NMR) με μια ειδική τεχνική που καθιστά δυνατή την υπερπόλωση των ατομικών πυρήνων. Το ZULF NMR είναι το ίδιο μια πρόσφατα αναπτυγμένη μορφή φασματοσκοπίας που παρέχει πλούσια αναλυτικά αποτελέσματα χωρίς την ανάγκη για μεγάλα μαγνητικά πεδία. Ένα άλλο πλεονέκτημα έναντι του NMR υψηλού πεδίου είναι το γεγονός ότι τα σήματα του μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν ακόμη και με την παρουσία αγώγιμων υλικών όπως τα μέταλλα. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για το ZULF-NMR, τα μαγνητόμετρα με οπτική άντληση, είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι, εύκολοι στον χειρισμό και ήδη διαθέσιμοι στο εμπόριο. Έτσι, είναι σχετικά εύκολο να συναρμολογηθεί ένα φασματόμετρο ZULF NMR.

Ρελέ SABER: Εκπέμπει εντολή περιστροφής σαν μπαστούνι

Ωστόσο, το σήμα NMR που παράγεται είναι ένα ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία του σήματος μέχρι στιγμής είναι κατάλληλες μόνο για την ανάλυση περιορισμένης επιλογής χημικών ουσιών ή συνδέονται με άλλον τρόπο με υπερβολικό κόστος. Για το λόγο αυτό, ο Barskiy αποφάσισε να χρησιμοποιήσει την τεχνική υπερπόλωσης SABER, η οποία επιτρέπει σε μεγάλους αριθμούς πυρηνικών περιστροφών να ευθυγραμμιστούν σε διάλυμα. Υπάρχει ένας αριθμός τέτοιων τεχνικών που θα παράγουν ένα σήμα επαρκές για ανίχνευση υπό συνθήκες ZULF. Το SABER, συντομογραφία του Signal Amplification by Reversible Exchange, έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα κατάλληλο. Στην καρδιά της τεχνικής SABER βρίσκεται ένα σύμπλεγμα μετάλλου ιριδίου που μεσολαβεί στη μεταφορά της σειράς σπιν του παραϋδρογόνου σε ένα υπόστρωμα. Ο Barskiy κατάφερε να παρακάμψει τα μειονεκτήματα της προσωρινής δέσμευσης του δείγματος στο σύμπλεγμα χρησιμοποιώντας το SABER-Relay, μια πολύ πρόσφατη βελτίωση της τεχνικής SABER. Σε αυτή την περίπτωση, το SABER χρησιμοποιείται για να προκαλέσει πόλωση, η οποία στη συνέχεια περνά σε ένα δευτερεύον υπόστρωμα.

Περιστροφή χημείας στη διεπαφή της φυσικής και της χημείας

Στην εργασία τους με τίτλο «Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance» που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, οι Dr. Η Danila Barskiy, ο επικεφαλής συγγραφέας Erik Van Dyke και οι συν-συγγραφείς τους, πώς μπόρεσαν να ανιχνεύσουν τα σήματα για μεθανόλη και αιθανόλη που εξήχθη από ένα δείγμα βότκας. «Αυτό το απλό παράδειγμα δείχνει πώς μπορέσαμε να επεκτείνουμε το εύρος του ZULF NMR χρησιμοποιώντας μια οικονομικά αποδοτική, γρήγορη και ευέλικτη μέθοδο υπερπόλωσης», συνοψίζει ο Barskiy. «Ελπίζουμε ότι έχουμε πλησιάσει τον στόχο μας να επιτρέψουμε την ανάπτυξη συμπαγών, φορητών συσκευών για την ανάλυση υγρών όπως το αίμα και τα ούρα και, στο μέλλον, να επιτρέψουμε ενδεχομένως τη διάκριση ορισμένων χημικών ουσιών όπως η γλυκόζη και τα αμινοξέα».

Ο Danila Barskiy έλαβε το βραβείο Sofja Kovalevskaja από το Ίδρυμα Alexander von Humboldt το 2020 και στη συνέχεια μετακόμισε από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ στο Μάιντς, όπου άρχισε να ερευνά στην ομάδα του καθηγητή Dmitry Budker στο Ινστιτούτο Φυσικής και HIM στο JGU. Ο Barskiy εργάζεται στον τομέα της φυσικής χημείας και ηγείται μιας ερευνητικής ομάδας που διερευνά τις πιθανές εφαρμογές του NMR στη χημεία, τη βιολογία και την ιατρική.

Πηγή:

Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz

Αναφορά:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Αναμεταδοτική Υπερπόλωση για Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Μηδενικού Πεδίου. Επιστημονικές εξελίξεις. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.