Nieuwe methode combineert nul- tot ultra-laagveld-NMR met speciale hyperpolarisatietechnologie om alcoholen te detecteren

Nieuwe methode combineert nul- tot ultra-laagveld-NMR met speciale hyperpolarisatietechnologie om alcoholen te detecteren

Nucleaire magnetische resonantie (NMR) is een analytisch hulpmiddel met een breed scala aan toepassingen, waaronder magnetische resonantiebeeldvorming, dat in de geneeskunde wordt gebruikt voor diagnostische doeleinden. NMR vereist echter vaak het genereren van sterke magnetische velden, wat de reikwijdte van het gebruik ervan beperkt. Onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Helmholtz Instituut Mainz (HIM) hebben nu nieuwe manieren ontdekt om de omvang van overeenkomstige apparaten en ook het mogelijke daarmee samenhangende risico te verminderen door sterke magnetische velden te elimineren. Dit wordt bereikt door zogenaamde zero-to-ultra-low field-NMR te combineren met een speciale hyperpolarisatietechniek. "Deze opwindende nieuwe methode is gebaseerd op een innovatief concept. Het opent een hele reeks mogelijkheden en overwint eerdere nadelen", zegt dr. Danila Barskiy, winnaar van de Sofja Kovalevskaja-prijs, die sinds 2020 in de relevante discipline bij JGU en HIM werkt.

Nieuwe aanpak om metingen mogelijk te maken zonder sterke magnetische velden

De huidige generatie NMR-apparaten is – vanwege de magneten – extreem zwaar en duur. Een andere complicerende factor is het huidige tekort aan vloeibaar helium, dat als koelmiddel wordt gebruikt. “Met onze nieuwe techniek brengen we ZULF NMR geleidelijk naar een volledig magneetvrije toestand, maar we hebben nog veel uitdagingen te overwinnen”, aldus Barskiy.

Om magneten in dit verband overbodig te maken, kwam Barskiy op het idee om nul- tot ultra-laag veld kernspinresonantie (ZULF-NMR) te combineren met een speciale techniek die het mogelijk maakt atoomkernen te hyperpolariseren. ZULF NMR is zelf een recent ontwikkelde vorm van spectroscopie die rijke analytische resultaten oplevert zonder de noodzaak van grote magnetische velden. Een ander voordeel ten opzichte van NMR met hoog veld is het feit dat de signalen ervan gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd, zelfs in de aanwezigheid van geleidende materialen zoals metalen. De sensoren die voor ZULF-NMR worden gebruikt, doorgaans optisch gepompte magnetometers, zijn zeer gevoelig, gemakkelijk te hanteren en al in de handel verkrijgbaar. Het is dus relatief eenvoudig om een ​​ZULF NMR-spectrometer samen te stellen.

SABRE Relay: Verzend het rotatiecommando als een wapenstok

Het geproduceerde NMR-signaal is echter een probleem dat moet worden aangepakt. De methoden die tot nu toe zijn gebruikt om het signaal te genereren zijn alleen geschikt voor het analyseren van een beperkte selectie chemicaliën of gaan anderszins gepaard met exorbitant hoge kosten. Om deze reden besloot Barskiy de SABRE-hyperpolarisatietechniek te gebruiken, waarmee grote aantallen kernspins in oplossing kunnen worden uitgelijnd. Er zijn een aantal van dergelijke technieken die een signaal zouden produceren dat voldoende is voor detectie onder ZULF-omstandigheden. SABRE, afkorting voor Signal Amplification by Reversible Exchange, is bijzonder geschikt gebleken. De kern van de SABRE-techniek is een iridiummetaalcomplex dat de overdracht van de spinvolgorde van parawaterstof naar een substraat bemiddelt. Barskiy is erin geslaagd de nadelen van het tijdelijk binden van het monster aan het complex te omzeilen door SABRE-Relay te gebruiken, een zeer recente verbetering van de SABRE-techniek. In dit geval wordt SABRE gebruikt om polarisatie te induceren, die vervolgens wordt doorgegeven aan een secundair substraat.

Draai chemie op het grensvlak van natuurkunde en scheikunde

In hun artikel getiteld “Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance”, gepubliceerd in Science Advances, zeggen Drs. Danila Barskiy, hoofdauteur Erik Van Dyke en hun co-auteurs, hoe ze de signalen voor methanol en ethanol uit een monster wodka konden detecteren. “Dit eenvoudige voorbeeld laat zien hoe we de reikwijdte van ZULF NMR konden uitbreiden met behulp van een kosteneffectieve, snelle en veelzijdige methode van hyperpolarisatie”, vat Barskiy samen. “We hopen dat we dichter bij ons doel zijn gekomen om de ontwikkeling mogelijk te maken van compacte, draagbare apparaten voor het analyseren van vloeistoffen zoals bloed en urine en, in de toekomst, mogelijk de discriminatie van bepaalde chemicaliën zoals glucose en aminozuren mogelijk te maken.”

Danila Barskiy ontving in 2020 een Sofja Kovalevskaja-prijs van de Alexander von Humboldt Foundation en verhuisde vervolgens van de University of California, Berkeley naar Mainz, waar hij begon te onderzoeken in de groep van professor Dmitry Budker aan het Institute of Physics and HIM bij JGU. Barskiy werkt op het gebied van de fysische chemie en leidt een onderzoeksgroep die de mogelijke toepassingen van NMR in de chemie, biologie en geneeskunde onderzoekt.

Bron:

Johannes Gutenberg Universiteit Mainz

Referentie:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Gerelayeerde hyperpolarisatie voor kernmagnetische resonantie met nulveld. Wetenschappelijke vooruitgang. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.