Ny metode kombinerer null til ultralavfelt NMR med spesiell hyperpolarisasjonsteknologi for å oppdage alkoholer

Ny metode kombinerer null til ultralavfelt NMR med spesiell hyperpolarisasjonsteknologi for å oppdage alkoholer

Kjernemagnetisk resonans (NMR) er et analytisk verktøy med et bredt spekter av bruksområder, inkludert magnetisk resonansavbildning, som brukes til diagnostiske formål innen medisin. Imidlertid krever NMR ofte generering av sterke magnetiske felt, noe som begrenser omfanget av bruken. Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nå oppdaget nye måter å redusere størrelsen på tilsvarende enheter og også den mulige tilhørende risikoen ved å eliminere sterke magnetiske felt. Dette oppnås ved å kombinere såkalt null til ultralavfelt NMR med en spesiell hyperpolarisasjonsteknikk. "Denne spennende nye metoden er basert på et innovativt konsept. Den åpner opp en hel rekke muligheter og overvinner tidligere ulemper," sier Dr. Danila Barskiy, Sofja Kovalevskaja-prisvinner, som har jobbet i den aktuelle disiplinen ved JGU og HIM siden 2020.

Ny tilnærming for å muliggjøre målinger uten sterke magnetiske felt

Den nåværende generasjonen av NMR-enheter er ekstremt tung og kostbar - på grunn av magnetene. En annen kompliserende faktor er den nåværende mangelen på flytende helium, som brukes som kjølevæske. "Med vår nye teknikk beveger vi ZULF NMR gradvis mot en fullstendig magnetfri tilstand, men vi har fortsatt mange utfordringer å overvinne," sa Barskiy.

For å gjøre magneter overflødige i denne sammenhengen, kom Barskiy på ideen om å kombinere nukleær til ultralavfelt kjernemagnetisk resonans (ZULF-NMR) med en spesiell teknikk som gjør det mulig å hyperpolarisere atomkjerner. ZULF NMR er i seg selv en nylig utviklet form for spektroskopi som gir rike analytiske resultater uten behov for store magnetiske felt. En annen fordel fremfor høyfelt NMR er det faktum at signalene enkelt kan oppdages selv i nærvær av ledende materialer som metaller. Sensorene som brukes til ZULF-NMR, typisk optisk pumpede magnetometre, er svært følsomme, enkle å håndtere og allerede kommersielt tilgjengelige. Dermed er det relativt enkelt å sette sammen et ZULF NMR-spektrometer.

SABRE Relé: Send rotasjonskommando som en batong

Imidlertid er NMR-signalet som produseres et problem som må løses. Metodene som er brukt for å generere signalet så langt er kun egnet for å analysere et begrenset utvalg av kjemikalier eller er på annen måte forbundet med ublu kostnader. Av denne grunn bestemte Barskiy seg for å bruke SABRE-hyperpolariseringsteknikken, som gjør at et stort antall kjernefysiske spinn kan justeres i løsning. Det finnes en rekke slike teknikker som vil produsere et signal som er tilstrekkelig for deteksjon under ZULF-forhold. SABRE, forkortelse for Signal Amplification by Reversible Exchange, har vist seg å være spesielt egnet. I hjertet av SABRE-teknikken er et iridiummetallkompleks som medierer overføringen av spinnrekkefølgen til parahydrogen til et substrat. Barskiy har klart å omgå ulempene ved midlertidig å binde prøven til komplekset ved å bruke SABER-Relay, en helt fersk forbedring av SABER-teknikken. I dette tilfellet brukes SABRE for å indusere polarisering, som deretter sendes videre til et sekundært substrat.

Spinnkjemi i grensesnittet mellom fysikk og kjemi

I deres artikkel med tittelen "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" publisert i Science Advances, Drs. Danila Barskiy, hovedforfatter Erik Van Dyke og deres medforfattere, hvordan de var i stand til å oppdage signalene for metanol og etanol ekstrahert fra en prøve av vodka. "Dette enkle eksemplet viser hvordan vi var i stand til å utvide omfanget av ZULF NMR ved å bruke en kostnadseffektiv, rask og allsidig metode for hyperpolarisering," oppsummerer Barskiy. "Vi håper vi har kommet nærmere målet vårt om å muliggjøre utviklingen av kompakte, bærbare enheter for å analysere væsker som blod og urin og, i fremtiden, potensielt muliggjøre diskriminering av visse kjemikalier som glukose og aminosyrer."

Danila Barskiy mottok en Sofja Kovalevskaja-pris fra Alexander von Humboldt Foundation i 2020 og flyttet deretter fra University of California, Berkeley til Mainz, hvor han begynte å forske i gruppen til professor Dmitry Budker ved Institute of Physics og HIM ved JGU. Barskiy jobber innen fysisk kjemi og leder en forskningsgruppe som utforsker potensielle anvendelser av NMR innen kjemi, biologi og medisin.

Kilde:

Johannes Gutenberg University Mainz

Referanse:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Videresendt hyperpolarisering for nukleær magnetisk resonans. Vitenskapelige fremskritt. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.