Il nuovo metodo combina la NMR a campo zero o ultrabasso con una speciale tecnologia di iperpolarizzazione per rilevare gli alcoli

Il nuovo metodo combina la NMR a campo zero o ultrabasso con una speciale tecnologia di iperpolarizzazione per rilevare gli alcoli

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è uno strumento analitico con una vasta gamma di applicazioni, inclusa la risonanza magnetica, utilizzata per scopi diagnostici in medicina. Tuttavia, la NMR spesso richiede la generazione di forti campi magnetici, il che limita la portata del suo utilizzo. I ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) e dell’Istituto Helmholtz di Magonza (HIM) hanno ora scoperto nuovi modi per ridurre le dimensioni dei dispositivi corrispondenti e anche il possibile rischio associato eliminando i forti campi magnetici. Ciò si ottiene combinando la cosiddetta NMR a campo zero o ultrabasso con una speciale tecnica di iperpolarizzazione. "Questo nuovo entusiasmante metodo si basa su un concetto innovativo. Apre tutta una serie di possibilità e supera gli svantaggi precedenti", afferma la dott.ssa Danila Barskiy, vincitrice del premio Sofja Kovalevskaja, che lavora nella disciplina pertinente presso JGU e HIM dal 2020.

Nuovo approccio per consentire misurazioni senza forti campi magnetici

L'attuale generazione di dispositivi NMR è estremamente pesante e costosa a causa dei magneti. Un altro fattore complicante è l’attuale carenza di elio liquido, che viene utilizzato come refrigerante. “Con la nostra nuova tecnica, stiamo gradualmente spostando ZULF NMR verso uno stato completamente privo di magneti, ma abbiamo ancora molte sfide da superare”, ha affermato Barskiy.

Per rendere superflui i magneti in questo contesto, Barskiy ha avuto l'idea di combinare la risonanza magnetica nucleare a campo zero o ultrabasso (ZULF-NMR) con una tecnica speciale che consente di iperpolarizzare i nuclei atomici. ZULF NMR è essa stessa una forma di spettroscopia sviluppata di recente che fornisce risultati analitici ricchi senza la necessità di grandi campi magnetici. Un altro vantaggio rispetto alla NMR ad alto campo è il fatto che i suoi segnali possono essere facilmente rilevati anche in presenza di materiali conduttivi come i metalli. I sensori utilizzati per ZULF-NMR, tipicamente magnetometri a pompaggio ottico, sono altamente sensibili, facili da maneggiare e già disponibili in commercio. Pertanto, è relativamente semplice assemblare uno spettrometro NMR ZULF.

Relè SABRE: trasmette il comando di rotazione come un bastone

Tuttavia, il segnale NMR prodotto è un problema che deve essere affrontato. I metodi finora utilizzati per generare il segnale sono adatti solo per analizzare una selezione limitata di sostanze chimiche o comportano comunque costi esorbitanti. Per questo motivo Barskiy ha deciso di utilizzare la tecnica di iperpolarizzazione SABRE, che consente di allineare in soluzione un gran numero di spin nucleari. Esistono numerose tecniche di questo tipo che produrrebbero un segnale sufficiente per il rilevamento in condizioni ZULF. SABRE, abbreviazione di Signal Amplification by Reversible Exchange, si è rivelato particolarmente adatto. Al centro della tecnica SABRE c'è un complesso metallico di iridio che media il trasferimento dell'ordine di spin del paraidrogeno a un substrato. Barskiy è riuscito a aggirare gli svantaggi di legare temporaneamente il campione al complesso utilizzando SABRE-Relay, un recentissimo miglioramento della tecnica SABRE. In questo caso, SABRE viene utilizzato per indurre la polarizzazione, che viene poi trasmessa a un substrato secondario.

La chimica dello spin all'interfaccia tra fisica e chimica

Nel loro articolo intitolato “Iperpolarizzazione a relè per risonanza magnetica nucleare a campo zero” pubblicato su Science Advances, i dott. Danila Barskiy, l'autore principale Erik Van Dyke e i loro coautori, come sono riusciti a rilevare i segnali per il metanolo e l'etanolo estratti da un campione di vodka. “Questo semplice esempio mostra come siamo stati in grado di espandere la portata di ZULF NMR utilizzando un metodo di iperpolarizzazione economico, veloce e versatile”, riassume Barskiy. “Ci auguriamo di esserci avvicinati al nostro obiettivo di consentire lo sviluppo di dispositivi compatti e portatili per l’analisi di fluidi come sangue e urina e, in futuro, di consentire potenzialmente la discriminazione di alcune sostanze chimiche come il glucosio e gli amminoacidi”.

Danila Barskiy ha ricevuto un premio Sofja Kovalevskaja dalla Fondazione Alexander von Humboldt nel 2020 e successivamente si è trasferito dall'Università della California, Berkeley a Magonza, dove ha iniziato a ricercare nel gruppo del professor Dmitry Budker presso l'Istituto di fisica e HIM presso JGU. Barskiy lavora nel campo della chimica fisica e guida un gruppo di ricerca che esplora le potenziali applicazioni della NMR in chimica, biologia e medicina.

Fonte:

Università Johannes Gutenberg di Magonza

Riferimento:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Iperpolarizzazione trasmessa per risonanza magnetica nucleare a campo zero. Progressi scientifici. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

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