Jaunā metode apvieno nulles līdz īpaši zema lauka KMR ar īpašu hiperpolarizācijas tehnoloģiju, lai noteiktu spirtus

Jaunā metode apvieno nulles līdz īpaši zema lauka KMR ar īpašu hiperpolarizācijas tehnoloģiju, lai noteiktu spirtus

Kodolmagnētiskā rezonanse (KMR) ir analītisks instruments ar plašu pielietojumu klāstu, tostarp magnētiskās rezonanses attēlveidošanu, ko izmanto diagnostikas nolūkos medicīnā. Tomēr KMR bieži vien ir nepieciešams radīt spēcīgus magnētiskos laukus, kas ierobežo tā izmantošanas jomu. Maincas Johannesa Gūtenberga universitātes (JGU) un Maincas Helmholca institūta (HIM) pētnieki tagad ir atklājuši jaunus veidus, kā samazināt attiecīgo ierīču izmērus un arī iespējamo saistīto risku, novēršot spēcīgus magnētiskos laukus. Tas tiek panākts, apvienojot tā saukto nulles līdz īpaši zema lauka KMR ar īpašu hiperpolarizācijas paņēmienu. "Šī aizraujošā jaunā metode ir balstīta uz inovatīvu koncepciju. Tā paver virkni iespēju un pārvar iepriekšējos trūkumus," saka Dr. Danila Barskiy, Sofijas Kovaļevskas balvas ieguvēja, kura attiecīgajā disciplīnā strādā JGU un HIM kopš 2020. gada.

Jauna pieeja, lai nodrošinātu mērījumus bez spēcīgiem magnētiskajiem laukiem

Pašreizējās paaudzes KMR ierīces ir ārkārtīgi smagas un dārgas magnētu dēļ. Vēl viens sarežģīts faktors ir pašreizējais šķidrā hēlija trūkums, ko izmanto kā dzesēšanas šķidrumu. "Izmantojot mūsu jauno tehniku, mēs pakāpeniski virzām ZULF NMR uz stāvokli, kas pilnībā brīvs no magnētiem, taču mums joprojām ir jāpārvar daudz izaicinājumu," sacīja Barskis.

Lai magnētus padarītu liekus šajā kontekstā, Barskis nāca klajā ar ideju apvienot nulles un īpaši zema lauka kodolmagnētisko rezonansi (ZULF-NMR) ar īpašu paņēmienu, kas ļauj hiperpolarizēt atomu kodolus. ZULF NMR pati par sevi ir nesen izstrādāta spektroskopijas forma, kas nodrošina bagātīgus analītiskos rezultātus bez nepieciešamības pēc lieliem magnētiskajiem laukiem. Vēl viena priekšrocība salīdzinājumā ar augsta lauka KMR ir fakts, ka tā signālus var viegli noteikt pat vadošu materiālu, piemēram, metālu, klātbūtnē. ZULF-NMR izmantotie sensori, parasti optiski sūknēti magnetometri, ir ļoti jutīgi, viegli apstrādājami un jau pieejami tirdzniecībā. Tādējādi ir salīdzinoši viegli salikt ZULF KMR spektrometru.

SABRE Relejs: nodod rotācijas komandu kā zizli

Tomēr radītais KMR signāls ir problēma, kas jārisina. Signāla ģenerēšanai līdz šim izmantotās metodes ir piemērotas tikai ierobežotas ķīmisko vielu atlases analīzei vai ir citādi saistītas ar pārmērīgām izmaksām. Šī iemesla dēļ Barskis nolēma izmantot SABRE hiperpolarizācijas paņēmienu, kas ļauj šķīdumā izlīdzināt lielu skaitu kodola apgriezienu. Pastāv vairākas šādas metodes, kas rada signālu, kas ir pietiekams noteikšanai ZULF apstākļos. SABRE, saīsinājums no Signal Amplification by Reversible Exchange, ir izrādījies īpaši piemērots. SABRE tehnikas pamatā ir irīdija metāla komplekss, kas veicina paraūdeņraža griešanās secības pārnešanu uz substrātu. Barskiy ir izdevies apiet trūkumus, kas saistīti ar parauga īslaicīgu saistīšanu ar kompleksu, izmantojot SABRE-Relay, kas ir pavisam nesen SABRE tehnikas uzlabojums. Šajā gadījumā SABRE tiek izmantots, lai izraisītu polarizāciju, kas pēc tam tiek pārnesta uz sekundāro substrātu.

Grieziet ķīmiju fizikas un ķīmijas saskarnē

Savā rakstā ar nosaukumu “Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Rezonance”, kas publicēts Science Advances, Drs. Danila Barskiy, vadošais autors Erik Van Dyke un viņu līdzautori, kā viņi spēja noteikt signālus metanolam un etanolam, kas iegūts no degvīna parauga. "Šis vienkāršais piemērs parāda, kā mēs varējām paplašināt ZULF NMR darbības jomu, izmantojot rentablu, ātru un daudzpusīgu hiperpolarizācijas metodi," rezumē Barskis. "Mēs ceram, ka esam kļuvuši tuvāk mūsu mērķim, proti, ļaut izstrādāt kompaktas, pārnēsājamas ierīces šķidrumu, piemēram, asiņu un urīna, analīzei un nākotnē potenciāli ļautu diskriminēt noteiktas ķīmiskas vielas, piemēram, glikozi un aminoskābes."

Danila Barskiy saņēma Sofijas Kovaļevskas balvu no Aleksandra fon Humbolta fonda 2020. gadā un pēc tam pārcēlās no Kalifornijas Universitātes Bērklijā uz Maincu, kur sāka pētniecību profesora Dmitrija Budkera grupā Fizikas institūtā un HIM JGU. Barskis strādā fizikālās ķīmijas jomā un vada pētniecības grupu, kas pēta iespējamos NMR pielietojumus ķīmijā, bioloģijā un medicīnā.

Avots:

Maincas Johannesa Gūtenberga universitāte

Atsauce:

Van Diks, ET u.c. (2022) Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Rezonance. Zinātnes sasniegumi. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.