Nowa metoda łączy NMR o zerowym lub bardzo niskim polu ze specjalną technologią hiperpolaryzacji do wykrywania alkoholi

Nowa metoda łączy NMR o zerowym lub bardzo niskim polu ze specjalną technologią hiperpolaryzacji do wykrywania alkoholi

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) jest narzędziem analitycznym o szerokim zastosowaniu, w tym obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego, które wykorzystywane jest w celach diagnostycznych w medycynie. Jednakże NMR często wymaga wytwarzania silnych pól magnetycznych, co ogranicza zakres jego zastosowania. Naukowcy z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU) i Instytutu Helmholtza w Moguncji (HIM) odkryli teraz nowe sposoby zmniejszania rozmiaru odpowiednich urządzeń, a także możliwego związanego z nimi ryzyka poprzez eliminację silnych pól magnetycznych. Osiąga się to poprzez połączenie tak zwanego NMR o zerowym lub bardzo niskim polu ze specjalną techniką hiperpolaryzacji. „Ta ekscytująca nowa metoda opiera się na innowacyjnej koncepcji. Otwiera cały szereg możliwości i przezwycięża dotychczasowe wady” – mówi dr Danila Barskiy, zdobywczyni nagrody im. Sofji Kovalevskiej, która pracuje w tej dyscyplinie w JGU i HIM od 2020 roku.

Nowe podejście umożliwiające pomiary bez silnych pól magnetycznych

Obecna generacja urządzeń NMR jest niezwykle ciężka i droga – ze względu na magnesy. Kolejnym czynnikiem komplikującym jest obecny niedobór ciekłego helu, który jest stosowany jako chłodziwo. „Dzięki naszej nowej technice stopniowo przenosimy ZULF NMR w kierunku stanu całkowicie wolnego od magnesów, ale wciąż mamy wiele wyzwań do pokonania” – powiedział Barskiy.

Aby uczynić magnesy zbędnymi w tym kontekście, Barskiy wpadł na pomysł połączenia jądrowego rezonansu magnetycznego o zerowym lub bardzo niskim polu (ZULF-NMR) ze specjalną techniką, która umożliwia hiperpolaryzację jąder atomowych. ZULF NMR sam w sobie jest niedawno opracowaną formą spektroskopii, która zapewnia bogate wyniki analityczne bez konieczności stosowania dużych pól magnetycznych. Kolejną zaletą w porównaniu z NMR wysokiego pola jest fakt, że jego sygnały można łatwo wykryć nawet w obecności materiałów przewodzących, takich jak metale. Czujniki stosowane w ZULF-NMR, zazwyczaj magnetometry pompowane optycznie, są bardzo czułe, łatwe w obsłudze i już dostępne na rynku. Zatem montaż spektrometru ZULF NMR jest stosunkowo łatwy.

Przekaźnik SABRE: Przekazuj polecenie obrotu jak pałka

Jednakże wytwarzany sygnał NMR jest problemem wymagającym rozwiązania. Metody stosowane dotychczas do generowania sygnału nadają się jedynie do analizy ograniczonego wyboru substancji chemicznych lub w inny sposób wiążą się z wygórowanymi kosztami. Z tego powodu Barskiy zdecydował się zastosować technikę hiperpolaryzacji SABRE, która pozwala na ustawienie dużej liczby spinów jądrowych w rozwiązaniu. Istnieje wiele takich technik, które wytworzyłyby sygnał wystarczający do detekcji w warunkach ZULF. SABRE, skrót od Signal Amplification by Reversible Exchange, okazała się szczególnie odpowiednia. Sercem techniki SABRE jest kompleks metalu irydu, który pośredniczy w przenoszeniu porządku spinu parawodoru na podłoże. Barskiemu udało się ominąć wady tymczasowego wiązania próbki z kompleksem, stosując SABRE-Relay, najnowsze udoskonalenie techniki SABRE. W tym przypadku SABRE służy do wywołania polaryzacji, która następnie jest przekazywana na podłoże wtórne.

Chemia spinowa na styku fizyki i chemii

W artykule zatytułowanym „Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance” opublikowanym w Science Advances dr. Danila Barskiy, główny autor Erik Van Dyke i ich współautorzy, o tym, jak udało im się wykryć sygnały dotyczące metanolu i etanolu ekstrahowanego z próbki wódki. „Ten prosty przykład pokazuje, jak udało nam się rozszerzyć zakres ZULF NMR przy użyciu opłacalnej, szybkiej i wszechstronnej metody hiperpolaryzacji” – podsumowuje Barskiy. „Mamy nadzieję, że zbliżyliśmy się do naszego celu, jakim jest umożliwienie opracowania kompaktowych, przenośnych urządzeń do analizy płynów, takich jak krew i mocz, a w przyszłości potencjalnie umożliwienie rozróżniania niektórych substancji chemicznych, takich jak glukoza i aminokwasy”.

Danila Barskiy otrzymała nagrodę im. Sofji Kovalevskiej od Fundacji Alexandra von Humboldta w 2020 r., a następnie przeniosła się z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley do Moguncji, gdzie rozpoczął badania w grupie profesora Dmitrija Budkera w Instytucie Fizyki i HIM w JGU. Barskiy zajmuje się chemią fizyczną i kieruje grupą badawczą badającą potencjalne zastosowania NMR w chemii, biologii i medycynie.

Źródło:

Uniwersytet Jana Gutenberga w Moguncji

Odniesienie:

Van Dyke, ET i in. (2022) Przekazywana hiperpolaryzacja dla jądrowego rezonansu magnetycznego o zerowym polu. Postęp naukowy. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.