Ny metod kombinerar noll till ultralågt fält-NMR med speciell hyperpolarisationsteknologi för att detektera alkoholer

Ny metod kombinerar noll till ultralågt fält-NMR med speciell hyperpolarisationsteknologi för att detektera alkoholer

Kärnmagnetisk resonans (NMR) är ett analysverktyg med ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive magnetisk resonanstomografi, som används för diagnostiska ändamål inom medicin. NMR kräver dock ofta generering av starka magnetfält, vilket begränsar användningsområdet. Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu upptäckt nya sätt att minska storleken på motsvarande anordningar och även den eventuella associerade risken genom att eliminera starka magnetfält. Detta uppnås genom att kombinera så kallad noll till ultralågt fält-NMR med en speciell hyperpolarisationsteknik. "Denna spännande nya metod är baserad på ett innovativt koncept. Den öppnar upp en hel rad möjligheter och övervinner tidigare nackdelar", säger Dr Danila Barskiy, vinnare av Sofja Kovalevskaja-priset, som har arbetat inom den relevanta disciplinen på JGU och HIM sedan 2020.

Nytt tillvägagångssätt för att möjliggöra mätningar utan starka magnetfält

Den nuvarande generationen av NMR-enheter är extremt tung och dyr - på grund av magneterna. En annan komplicerande faktor är den nuvarande bristen på flytande helium, som används som kylvätska. "Med vår nya teknik flyttar vi gradvis ZULF NMR mot ett helt magnetfritt tillstånd, men vi har fortfarande många utmaningar att övervinna", säger Barskiy.

För att göra magneter överflödiga i detta sammanhang kom Barskiy på idén att kombinera noll till ultralågt fält kärnmagnetisk resonans (ZULF-NMR) med en speciell teknik som gör det möjligt att hyperpolarisera atomkärnor. ZULF NMR är i sig en nyutvecklad form av spektroskopi som ger rika analysresultat utan behov av stora magnetfält. En annan fördel jämfört med högfälts-NMR är det faktum att dess signaler lätt kan detekteras även i närvaro av ledande material såsom metaller. Sensorerna som används för ZULF-NMR, typiskt optiskt pumpade magnetometrar, är mycket känsliga, lätta att hantera och redan kommersiellt tillgängliga. Således är det relativt enkelt att montera en ZULF NMR-spektrometer.

SABRE Relay: Sänd rotationskommando som en batong

Den producerade NMR-signalen är emellertid ett problem som måste åtgärdas. De metoder som hittills använts för att generera signalen är endast lämpliga för att analysera ett begränsat urval av kemikalier eller är på annat sätt förknippade med orimliga kostnader. Av denna anledning bestämde sig Barskiy för att använda SABRE-hyperpolariseringstekniken, som gör att ett stort antal kärnspinn kan anpassas i lösning. Det finns ett antal sådana tekniker som skulle producera en signal som är tillräcklig för detektering under ZULF-förhållanden. SABRE, förkortning för Signal Amplification by Reversible Exchange, har visat sig vara särskilt lämpligt. Kärnan i SABRE-tekniken är ett iridiummetallkomplex som förmedlar överföringen av paraväteets spinordning till ett substrat. Barskiy har lyckats kringgå nackdelarna med att tillfälligt binda provet till komplexet genom att använda SABER-Relay, en mycket ny förbättring av SABER-tekniken. I detta fall används SABRE för att inducera polarisering, som sedan förs vidare till ett sekundärt substrat.

Spinkemi i gränssnittet mellan fysik och kemi

I deras artikel med titeln "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" publicerad i Science Advances, Drs. Danila Barskiy, huvudförfattare Erik Van Dyke och deras medförfattare, hur de kunde upptäcka signalerna för metanol och etanol extraherat från ett prov av vodka. "Detta enkla exempel visar hur vi kunde utöka omfattningen av ZULF NMR med en kostnadseffektiv, snabb och mångsidig metod för hyperpolarisering", sammanfattar Barskiy. "Vi hoppas att vi har kommit närmare vårt mål att möjliggöra utvecklingen av kompakta, bärbara enheter för att analysera vätskor som blod och urin och, i framtiden, potentiellt möjliggöra diskriminering av vissa kemikalier som glukos och aminosyror."

Danila Barskiy fick ett Sofja Kovalevskaja-pris från Alexander von Humboldt Foundation 2020 och flyttade därefter från University of California, Berkeley till Mainz, där han började forska i gruppen av professor Dmitry Budker vid Institutet för fysik och HIM vid JGU. Barskiy arbetar inom fysikalisk kemi och leder en forskargrupp som utforskar de potentiella tillämpningarna av NMR inom kemi, biologi och medicin.

Källa:

Johannes Gutenberg University Mainz

Hänvisning:

Van Dyke, ET, et al. (2022) Reläad hyperpolarisering för nollfältskärnmagnetisk resonans. Vetenskapliga framsteg. doi.org/10.1126/sciadv.abp9242.

.