Uusi menetelmä yhdistää nollasta erittäin matalan kentän NMR:n erityiseen hyperpolarisaatiotekniikkaan alkoholien havaitsemiseksi

Uusi menetelmä yhdistää nollasta erittäin matalan kentän NMR:n erityiseen hyperpolarisaatiotekniikkaan alkoholien havaitsemiseksi

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) on analyyttinen työkalu, jolla on laaja valikoima sovelluksia, mukaan lukien magneettikuvaus, jota käytetään lääketieteen diagnostisiin tarkoituksiin. NMR vaatii kuitenkin usein voimakkaiden magneettikenttien muodostamista, mikä rajoittaa sen käyttöä. Johannes Gutenberg University Mainzin (JGU) ja Helmholtz Institute Mainzin (HIM) tutkijat ovat nyt löytäneet uusia tapoja pienentää vastaavien laitteiden kokoa ja myös niihin liittyvää riskiä eliminoimalla voimakkaita magneettikenttiä. Tämä saavutetaan yhdistämällä ns. nolla-ultrapienkentän NMR erityiseen hyperpolarisaatiotekniikkaan. "Tämä jännittävä uusi menetelmä perustuu innovatiiviseen konseptiin. Se avaa koko joukon mahdollisuuksia ja voittaa aiemmat haitat", sanoo Dr. Danila Barskiy, Sofja Kovalevskaja -palkinnon voittaja, joka on työskennellyt vastaavalla alalla JGU:ssa ja HIM:ssä vuodesta 2020.

Uusi lähestymistapa mahdollistaa mittaukset ilman voimakkaita magneettikenttiä

Nykyiset NMR-laitteet ovat erittäin raskaita ja kalliita - magneettien takia. Toinen vaikeuttava tekijä on nykyinen pula nestemäisestä heliumista, jota käytetään jäähdytysnesteenä. "Uudella tekniikallamme siirrämme vähitellen ZULF NMR:ää kohti täysin magneetitonta tilaa, mutta meillä on vielä monia haasteita voitettavana", Barskiy sanoi.

Jotta magneetit olisivat tarpeettomia tässä yhteydessä, Barskiy keksi idean yhdistää nolla- ja erittäin matalakenttäydinmagneettinen resonanssi (ZULF-NMR) erityisellä tekniikalla, joka mahdollistaa atomiytimien hyperpolarisoinnin. ZULF NMR on itsessään äskettäin kehitetty spektroskopian muoto, joka tarjoaa runsaasti analyyttisiä tuloksia ilman suuria magneettikenttiä. Toinen etu korkean kentän NMR:ään verrattuna on se, että sen signaalit voidaan helposti havaita jopa johtavien materiaalien, kuten metallien, läsnä ollessa. ZULF-NMR-anturit, tyypillisesti optisesti pumpatut magnetometrit, ovat erittäin herkkiä, helppokäyttöisiä ja jo kaupallisesti saatavilla. Siten on suhteellisen helppoa koota ZULF NMR -spektrometri.

SABER Rele: Lähetä kiertokomento kuten sauva

Tuotettu NMR-signaali on kuitenkin ongelma, johon on puututtava. Toistaiseksi signaalin tuottamiseen käytetyt menetelmät soveltuvat vain rajoitetun kemikaalivalikoiman analysointiin tai niihin liittyy muuten kohtuuttomia kustannuksia. Tästä syystä Barskiy päätti käyttää SABRE-hyperpolarisaatiotekniikkaa, joka mahdollistaa suurten ydinspinien kohdistamisen liuoksessa. On olemassa useita tällaisia ​​tekniikoita, jotka tuottaisivat riittävän signaalin havaitsemiseen ZULF-olosuhteissa. SABRE, lyhenne sanoista Signal Amplification by Reversible Exchange, on osoittautunut erityisen sopivaksi. SABRE-tekniikan ytimessä on iridiummetallikompleksi, joka välittää paravedyn pyörimisjärjestyksen siirtymistä substraattiin. Barskiy on onnistunut kiertämään haitat, jotka liittyvät näytteen tilapäiseen sitomiseen kompleksiin käyttämällä SABRE-Relaya, joka on aivan uusi SABRE-tekniikan parannus. Tässä tapauksessa SABREä käytetään indusoimaan polarisaatio, joka sitten siirretään toissijaiselle substraatille.

Pyöritä kemiaa fysiikan ja kemian rajapinnassa

Science Advancesissa julkaistussa artikkelissaan "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" Drs. Danila Barskiy, pääkirjailija Erik Van Dyke ja heidän kirjoittajansa, kuinka he pystyivät havaitsemaan metanolin ja vodkanäytteestä uutetun etanolin signaalit. "Tämä yksinkertainen esimerkki osoittaa, kuinka pystyimme laajentamaan ZULF NMR:n soveltamisalaa käyttämällä kustannustehokasta, nopeaa ja monipuolista hyperpolarisaatiomenetelmää", tiivistää Barskiy. "Toivomme, että olemme siirtyneet lähemmäs tavoitettamme mahdollistaa kompaktien, kannettavien nesteiden, kuten veren ja virtsan, analysoimiseen tarkoitettujen laitteiden kehittäminen ja mahdollistaa tulevaisuudessa mahdollisesti tiettyjen kemikaalien, kuten glukoosin ja aminohappojen, erottelun."

Danila Barskiy sai Sofja Kovalevskaja -palkinnon Alexander von Humboldt -säätiöltä vuonna 2020 ja muutti sen jälkeen Kalifornian yliopistosta Berkeleystä Mainziin, jossa hän aloitti tutkimustyön professori Dmitry Budkerin ryhmässä Fysiikan instituutissa ja HIM:n ryhmässä JGU:ssa. Barskiy työskentelee fysikaalisen kemian alalla ja johtaa tutkimusryhmää, joka tutkii NMR:n mahdollisia sovelluksia kemiassa, biologiassa ja lääketieteessä.

Lähde:

Johannes Gutenbergin yliopisto Mainz

Viite:

Van Dyke, ET, et ai. (2022) Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance. Tieteelliset edistysaskeleet. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.