Noua metodă combină RMN de câmp zero până la ultra-scăzut cu tehnologia specială de hiperpolarizare pentru detectarea alcoolilor

Noua metodă combină RMN de câmp zero până la ultra-scăzut cu tehnologia specială de hiperpolarizare pentru detectarea alcoolilor

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) este un instrument analitic cu o gamă largă de aplicații, inclusiv imagistica prin rezonanță magnetică, care este utilizată în scopuri de diagnostic în medicină. Cu toate acestea, RMN necesită adesea generarea de câmpuri magnetice puternice, ceea ce limitează domeniul de utilizare a acestuia. Cercetătorii de la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz (JGU) și Institutul Helmholtz din Mainz (HIM) au descoperit acum noi modalități de a reduce dimensiunea dispozitivelor corespunzătoare și, de asemenea, posibilul risc asociat prin eliminarea câmpurilor magnetice puternice. Acest lucru se realizează prin combinarea așa-numitelor RMN cu câmp zero la ultra-scăzut cu o tehnică specială de hiperpolarizare. „Această nouă metodă interesantă se bazează pe un concept inovator. Deschide o gamă întreagă de posibilități și depășește dezavantajele anterioare”, spune dr. Danila Barskiy, câștigătoarea Premiului Sofja Kovalevskaja, care lucrează în disciplina relevantă la JGU și HIM din 2020.

Nouă abordare pentru a permite măsurători fără câmpuri magnetice puternice

Generația actuală de dispozitive RMN este extrem de grea și costisitoare - din cauza magneților. Un alt factor de complicare este deficitul actual de heliu lichid, care este folosit ca lichid de răcire. „Cu noua noastră tehnică, mutăm treptat ZULF RMN către o stare complet fără magnet, dar mai avem multe provocări de depășit”, a spus Barskiy.

Pentru a face ca magneții să fie de prisos în acest context, Barskiy a venit cu ideea de a combina rezonanța magnetică nucleară cu câmp zero și ultra-scăzut (ZULF-NMR) cu o tehnică specială care face posibilă hiperpolarizarea nucleelor ​​atomice. ZULF RMN este în sine o formă recent dezvoltată de spectroscopie care oferă rezultate analitice bogate, fără a fi nevoie de câmpuri magnetice mari. Un alt avantaj față de RMN cu câmp înalt este faptul că semnalele sale pot fi detectate cu ușurință chiar și în prezența materialelor conductoare precum metalele. Senzorii utilizați pentru ZULF-NMR, de obicei magnetometre cu pompare optică, sunt foarte sensibili, ușor de manevrat și deja disponibili comercial. Astfel, este relativ ușor să asamblați un spectrometru ZULF RMN.

Releu SABRE: Transmite comanda de rotație ca un baston

Cu toate acestea, semnalul RMN produs este o problemă care trebuie abordată. Metodele folosite pentru a genera semnalul până acum sunt potrivite doar pentru analizarea unei selecții limitate de substanțe chimice sau sunt asociate în alt mod cu costuri exorbitante. Din acest motiv, Barskiy a decis să folosească tehnica de hiperpolarizare SABRE, care permite ca un număr mare de spinuri nucleare să fie aliniate în soluție. Există o serie de astfel de tehnici care ar produce un semnal suficient pentru detectarea în condiții ZULF. SABRE, prescurtare pentru Signal Amplification by Reversible Exchange, s-a dovedit a fi deosebit de potrivit. În centrul tehnicii SABRE este un complex de iridiu metalic care mediază transferul ordinului de spin al parahidrogenului pe un substrat. Barskiy a reușit să evite dezavantajele legării temporare a probei de complex prin utilizarea SABRE-Relay, o îmbunătățire foarte recentă a tehnicii SABRE. În acest caz, SABRE este folosit pentru a induce polarizarea, care este apoi transmisă pe un substrat secundar.

Spin chimie la interfața dintre fizică și chimie

În lucrarea lor intitulată „Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance”, publicată în Science Advances, Drs. Danila Barskiy, autorul principal Erik Van Dyke și coautorii lor, au arătat cum au reușit să detecteze semnalele pentru metanol și etanol extrase dintr-o probă de vodcă. „Acest exemplu simplu arată cum am reușit să extindem domeniul de aplicare al ZULF RMN folosind o metodă rentabilă, rapidă și versatilă de hiperpolarizare”, rezumă Barskiy. „Sperăm că ne-am apropiat de obiectivul nostru de a permite dezvoltarea de dispozitive compacte, portabile pentru analiza fluidelor, cum ar fi sângele și urina și, în viitor, să permită discriminarea anumitor substanțe chimice, cum ar fi glucoza și aminoacizii.”

Danila Barskiy a primit un premiu Sofja Kovalevskaja de la Fundația Alexander von Humboldt în 2020 și, ulterior, s-a mutat de la Universitatea din California, Berkeley, la Mainz, unde a început să cerceteze în grupul profesorului Dmitry Budker de la Institutul de Fizică și HIM de la JGU. Barskiy lucrează în domeniul chimiei fizice și conduce un grup de cercetare care explorează potențialele aplicații ale RMN în chimie, biologie și medicină.

Sursă:

Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz

Referinţă:

Van Dyke, ET, şi colab. (2022) Hiperpolarizare retransmisă pentru rezonanță magnetică nucleară cu câmp zero. Progrese științifice. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.