Mindre risiko, færre omkostninger:Bærbare spektroskopi-enheder kan snart blive virkelige

Kernemagnetisk resonans (NMR) er et analytisk værktøj med en bred vifte af anvendelser, herunder magnetisk resonansbilleddannelse, der bruges til diagnostiske formål i medicin. Imidlertid kræver NMR ofte, at der genereres kraftige magnetiske felter, hvilket begrænser omfanget af dets anvendelse.

Forskere, der arbejder ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu opdaget potentielle nye måder at reducere størrelsen af ​​de tilsvarende enheder og også den mulige tilknyttede risiko ved at eliminere behovet for stærke magnetfelter. Dette opnås ved at kombinere såkaldt nul- til ultralavfelt NMR med en speciel hyperpolariseringsteknik. "Denne spændende nye metode er baseret på et innovativt koncept. Den åbner op for en lang række muligheder og overvinder tidligere ulemper," sagde Dr. Danila Barskiy, en Sofja Kovalevskaja Award-vinder, som har arbejdet i den relevante disciplin hos JGU og HIM siden. 2020.

Ny tilgang til at muliggøre målinger uden stærke magnetfelter

Den nuværende generation af NMR-enheder er - på grund af magneterne - ekstremt tung og dyr. En anden komplicerende faktor er den nuværende mangel på flydende helium, der anvendes som kølemiddel. "Med vores nye teknik bevæger vi gradvist ZULF NMR mod en status af at være fuldstændig magnetfri, men vi har stadig mange udfordringer at overvinde," sagde Barskiy.

For at gøre magneter overflødige i denne sammenhæng har Barskiy fundet på ideen om at kombinere nul- til ultralavfelt kernemagnetisk resonans (ZULF NMR) med en speciel teknik, der gør det muligt at hyperpolarisere atomkerner. ZULF NMR er i sig selv en nyudviklet form for spektroskopi, der giver rigelige analytiske resultater uden behov for store magnetfelter.

En anden fordel i forhold til højfelt NMR er det faktum, at dets signaler også let kan detekteres i nærvær af ledende materialer, såsom metaller. De sensorer, der anvendes til ZULF NMR, typisk optisk pumpede magnetometre, er meget følsomme, nemme at bruge, og de er allerede kommercielt tilgængelige. Det er således relativt ligetil at samle et ZULF NMR-spektrometer.

SABRE-relæ:Overførsel af spin-rækkefølge som en stafet

Det genererede NMR-signal er imidlertid et problem, der skal behandles. De metoder, der hidtil er blevet brugt til at generere signalet, er kun egnede til analyse af et begrænset udvalg af kemikalier eller er på anden måde forbundet med ublu omkostninger. Af denne grund har Barskiy besluttet at udnytte hyperpolariseringsteknikken SABER, som tillader at justere nukleare spins i stort antal i opløsning.

Der er en række sådanne teknikker, der ville producere et signal, der er tilstrækkeligt til detektion under ZULF-forhold. Blandt disse er SABRE, en forkortelse for Signal Amplification by Reversible Exchange, som har vist sig at være særdeles velegnet. Centralt i SABRE-teknikken er et iridiummetalkompleks, der medierer overførslen af ​​spin-ordenen fra parahydrogen til et substrat.

Barskiy har formået at omgå ulemperne som følge af den midlertidige binding af prøven til komplekset ved at anvende SABRE-Relay, en meget nylig forbedring af SABRE-teknikken. I dette tilfælde bruges SABRE til at inducere polarisering, som derefter videresendes til et sekundært substrat.

Spin kemi i grænsefladen mellem fysik og kemi

I deres artikel med titlen "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" offentliggjort i Science Advances , Dr. Danila Barskiy, hovedforfatter Erik Van Dyke og deres medforfattere rapporterer om, hvordan de var i stand til at detektere signalerne for methanol og ethanol ekstraheret fra en prøve af vodka.

"Dette enkle eksempel viser, hvordan vi har været i stand til at udvide anvendelsesområdet for ZULF NMR ved hjælp af en billig, hurtig og alsidig metode til hyperpolarisering," opsummerede Barskiy. "Vi håber, at det er lykkedes os at komme lidt tættere på vores mål om at muliggøre udviklingen af ​​kompakte, bærbare enheder, der kan bruges til analyse af væsker såsom blod og urin og i fremtiden muligvis give diskrimination af bestemte kemikalier. såsom glucose og aminosyrer." + Udforsk yderligere

Placer endnu en brik i mørkt stof-puslespillet