El nuevo método combina RMN de campo cero a ultrabajo con tecnología especial de hiperpolarización para detectar alcoholes

El nuevo método combina RMN de campo cero a ultrabajo con tecnología especial de hiperpolarización para detectar alcoholes

La resonancia magnética nuclear (RMN) es una herramienta analítica con una amplia gama de aplicaciones, incluida la resonancia magnética, que se utiliza con fines de diagnóstico en medicina. Sin embargo, la RMN a menudo requiere la generación de fuertes campos magnéticos, lo que limita el alcance de su uso. Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y del Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM) han descubierto nuevas formas de reducir el tamaño de los dispositivos correspondientes y también los posibles riesgos asociados mediante la eliminación de campos magnéticos fuertes. Esto se logra combinando la llamada RMN de campo cero a ultrabajo con una técnica especial de hiperpolarización. "Este nuevo y apasionante método se basa en un concepto innovador. Abre toda una gama de posibilidades y supera desventajas anteriores", afirma la Dra. Danila Barskiy, ganadora del premio Sofja Kovalevskaja, que trabaja en esta disciplina en JGU y HIM desde 2020.

Nuevo enfoque para permitir mediciones sin campos magnéticos fuertes

La generación actual de dispositivos de RMN es extremadamente pesada y cara, debido a los imanes. Otro factor que complica la situación es la actual escasez de helio líquido, que se utiliza como refrigerante. "Con nuestra nueva técnica, estamos moviendo gradualmente a ZULF NMR hacia un estado completamente libre de imanes, pero todavía tenemos muchos desafíos que superar", dijo Barskiy.

Para hacer que los imanes sean superfluos en este contexto, a Barskiy se le ocurrió la idea de combinar la resonancia magnética nuclear de campo cero a ultrabajo (ZULF-NMR) con una técnica especial que permite hiperpolarizar los núcleos atómicos. ZULF NMR es en sí misma una forma de espectroscopia desarrollada recientemente que proporciona resultados analíticos ricos sin la necesidad de grandes campos magnéticos. Otra ventaja sobre la RMN de alto campo es el hecho de que sus señales pueden detectarse fácilmente incluso en presencia de materiales conductores como los metales. Los sensores utilizados para ZULF-NMR, normalmente magnetómetros bombeados ópticamente, son muy sensibles, fáciles de manejar y ya están disponibles comercialmente. Por tanto, es relativamente fácil montar un espectrómetro de RMN ZULF.

Relé SABRE: transmite el comando de rotación como un bastón

Sin embargo, la señal de RMN producida es un problema que debe abordarse. Los métodos utilizados hasta ahora para generar la señal sólo son adecuados para analizar una selección limitada de productos químicos o, por lo demás, conllevan costes exorbitantes. Por este motivo, Barskiy decidió utilizar la técnica de hiperpolarización SABRE, que permite alinear una gran cantidad de espines nucleares en solución. Existen varias técnicas de este tipo que producirían una señal suficiente para la detección en condiciones ZULF. SABRE, abreviatura de Signal Amplification by Reversible Exchange, ha demostrado ser especialmente adecuado. En el corazón de la técnica SABRE se encuentra un complejo metálico de iridio que media la transferencia del orden de espín del parahidrógeno a un sustrato. Barskiy ha logrado sortear las desventajas de unir temporalmente la muestra al complejo mediante el uso de SABRE-Relay, una mejora muy reciente de la técnica SABRE. En este caso, SABRE se utiliza para inducir la polarización, que luego se transmite a un sustrato secundario.

Química de espín en la interfaz de la física y la química.

En su artículo titulado “Hiperpolarización retransmitida para resonancia magnética nuclear de campo cero” publicado en Science Advances, los Dres. Danila Barskiy, el autor principal Erik Van Dyke y sus coautores, cómo pudieron detectar las señales de metanol y etanol extraídos de una muestra de vodka. "Este sencillo ejemplo muestra cómo pudimos ampliar el alcance de ZULF NMR utilizando un método de hiperpolarización rentable, rápido y versátil", resume Barskiy. "Esperamos habernos acercado a nuestro objetivo de permitir el desarrollo de dispositivos compactos y portátiles para analizar fluidos como sangre y orina y, en el futuro, permitir potencialmente la discriminación de ciertas sustancias químicas como la glucosa y los aminoácidos".

Danila Barskiy recibió el Premio Sofja Kovalevskaja de la Fundación Alexander von Humboldt en 2020 y posteriormente se mudó de la Universidad de California, Berkeley a Mainz, donde comenzó a investigar en el grupo del profesor Dmitry Budker en el Instituto de Física y HIM en JGU. Barskiy trabaja en el campo de la química física y dirige un grupo de investigación que explora las posibles aplicaciones de la RMN en química, biología y medicina.

Fuente:

Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia

Referencia:

Van Dyke, et al. (2022) Hiperpolarización retransmitida para resonancia magnética nuclear de campo cero. Avances científicos. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.