Nova metoda združuje NMR z ničelnim do ultranizkim poljem s posebno tehnologijo hiperpolarizacije za odkrivanje alkoholov

Nova metoda združuje NMR z ničelnim do ultranizkim poljem s posebno tehnologijo hiperpolarizacije za odkrivanje alkoholov

Jedrska magnetna resonanca (NMR) je analitično orodje s široko paleto aplikacij, vključno s slikanjem z magnetno resonanco, ki se uporablja v diagnostične namene v medicini. Vendar NMR pogosto zahteva ustvarjanje močnih magnetnih polj, kar omejuje obseg njegove uporabe. Raziskovalci na Univerzi Johannes Gutenberg Mainz (JGU) in Inštitutu Helmholtz Mainz (HIM) so zdaj odkrili nove načine za zmanjšanje velikosti ustreznih naprav in tudi morebitnega s tem povezanega tveganja z odpravo močnih magnetnih polj. To dosežemo s kombinacijo tako imenovanega NMR z ničelnim do ultra nizkim poljem s posebno tehniko hiperpolarizacije. "Ta vznemirljiva nova metoda temelji na inovativnem konceptu. Odpira celo vrsto možnosti in odpravlja prejšnje slabosti," pravi dr. Danila Barskiy, dobitnica nagrade Sofje Kovalevskaja, ki od leta 2020 dela v ustrezni disciplini na JGU in HIM.

Nov pristop, ki omogoča meritve brez močnih magnetnih polj

Sedanja generacija NMR naprav je izjemno težka in draga – zaradi magnetov. Drugi zapleten dejavnik je trenutno pomanjkanje tekočega helija, ki se uporablja kot hladilno sredstvo. "Z našo novo tehniko postopoma premikamo ZULF NMR proti stanju popolnoma brez magnetov, vendar moramo premagati še veliko izzivov," je dejal Barskiy.

Da bi magneti v tem kontekstu postali odveč, je Barskiy prišel na idejo o kombinaciji jedrske magnetne resonance z ničelnim in ultranizkim poljem (ZULF-NMR) s posebno tehniko, ki omogoča hiperpolarizacijo atomskih jeder. ZULF NMR je sama po sebi nedavno razvita oblika spektroskopije, ki zagotavlja bogate analitične rezultate brez potrebe po velikih magnetnih poljih. Druga prednost pred visokopoljskim NMR je dejstvo, da je njegove signale mogoče zlahka zaznati tudi v prisotnosti prevodnih materialov, kot so kovine. Senzorji, ki se uporabljajo za ZULF-NMR, običajno magnetometri z optično črpalko, so zelo občutljivi, enostavni za uporabo in že komercialno dostopni. Tako je razmeroma enostavno sestaviti ZULF NMR spektrometer.

SABRE Rele: Prenesite ukaz za vrtenje kot palico

Vendar pa je proizvedeni signal NMR težava, ki jo je treba obravnavati. Metode, uporabljene za ustvarjanje signala do zdaj, so primerne le za analizo omejenega izbora kemikalij ali pa so kako drugače povezane s previsokimi stroški. Iz tega razloga se je Barskiy odločil uporabiti tehniko hiperpolarizacije SABER, ki omogoča poravnavo velikega števila jedrskih vrtljajev v raztopini. Obstaja več takšnih tehnik, ki bi proizvedle zadosten signal za detekcijo v pogojih ZULF. SABRE, okrajšava za Signal Amplification by Reversible Exchange, se je izkazala za posebej primerno. V središču tehnike SABER je kovinski kompleks iridija, ki posreduje pri prenosu vrtilnega reda paravodika na substrat. Barskiy se je uspel izogniti pomanjkljivostim začasne vezave vzorca na kompleks z uporabo SABER-Relay, zelo nedavne izboljšave tehnike SABER. V tem primeru se SABER uporablja za indukcijo polarizacije, ki se nato prenese na sekundarni substrat.

Spin kemija na stičišču fizike in kemije

V svojem prispevku z naslovom »Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance«, objavljenem v Science Advances, Dr. Danila Barskiy, glavni avtor Erik Van Dyke in njuni soavtorji, kako so lahko zaznali signale za metanol in etanol, ekstrahirana iz vzorca vodke. "Ta preprost primer kaže, kako smo lahko razširili obseg ZULF NMR z uporabo stroškovno učinkovite, hitre in vsestranske metode hiperpolarizacije," povzema Barskiy. "Upamo, da smo se približali našemu cilju, da omogočimo razvoj kompaktnih, prenosnih naprav za analizo tekočin, kot sta kri in urin, in v prihodnosti potencialno omogočimo diskriminacijo določenih kemikalij, kot so glukoza in aminokisline."

Danila Barskiy je leta 2020 prejel nagrado Sofje Kovalevskaje Fundacije Alexander von Humboldt in se nato preselil s kalifornijske univerze Berkeley v Mainz, kjer je začel raziskovati v skupini profesorja Dmitrija Budkerja na Inštitutu za fiziko in HIM na JGU. Barskiy deluje na področju fizikalne kemije in vodi raziskovalno skupino, ki raziskuje potencialne aplikacije NMR v kemiji, biologiji in medicini.

Vir:

Univerza Johannes Gutenberg Mainz

Referenca:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Posredovana hiperpolarizacija za jedrsko magnetno resonanco brez polja. Znanstveni napredek. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.