Bærbare spektroskopienheter kan snart bli virkelige

Kjernemagnetisk resonans (NMR) er et analytisk verktøy med et bredt spekter av bruksområder, inkludert magnetisk resonansavbildning som brukes til diagnostiske formål i medisin. Imidlertid krever NMR ofte at kraftige magnetiske felt genereres, noe som begrenser omfanget av bruken.

Forskere som jobber ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nå oppdaget potensielle nye måter å redusere størrelsen på de tilsvarende enhetene og også den mulige risikoen ved å eliminere behovet for sterke magnetiske felt. Dette oppnås ved å kombinere såkalt null- til ultralavfelt NMR med en spesiell hyperpolarisasjonsteknikk. “Denne spennende nye metoden er basert på et innovativt konsept. Den åpner opp en hel rekke muligheter og overvinner tidligere ulemper,” sa Dr. Danila Barskiy, en Sofja Kovalevskaja Award-vinner som har jobbet i den relevante disiplinen ved JGU og HIM siden. 2020.

Ny tilnærming for å muliggjøre målinger uten sterke magnetiske felt

Den nåværende generasjonen av NMR-enheter er – på grunn av magnetene – ekstremt tung og kostbar. En annen kompliserende faktor er den nåværende mangelen på flytende helium som brukes som kjølevæske. “Med vår nye teknikk beveger vi gradvis ZULF NMR mot en status som helt magnetfri, men vi har fortsatt mange utfordringer å overvinne,” sa Barskiy.

For å gjøre magneter overflødige i denne sammenhengen har Barskiy kommet opp med ideen om å kombinere null- til ultralavt felt Kjernemagnetisk resonans (ZULF NMR) med en spesiell teknikk som gjør det mulig å hyperpolarisere atomkjerner. ZULF NMR er i seg selv en nylig utviklet form for spektroskopi som gir rikelige analytiske resultater uten behov for store magnetiske felt.

En annen fordel fremfor høyfelt NMR er det faktum at dets signaler også lett kan oppdages i nærvær av ledende materialer, for eksempel metaller. Sensorene som brukes for ZULF NMR, typisk optisk pumpede magnetometre, er svært følsomme, enkle å bruke, og de er allerede kommersielt tilgjengelige. Dermed er det relativt enkelt å sette sammen et ZULF NMR-spektrometer.

SABRE-stafett: Overfører spinnrekkefølge som en stafettpinne

Imidlertid er det genererte NMR-signalet et problem som må håndteres. Metodene som har blitt brukt til dags dato for å generere signalet er kun egnet for analyse av et begrenset utvalg av kjemikalier eller er på annen måte forbundet med ublu kostnader. Av denne grunn har Barskiy bestemt seg for å utnytte hyperpolarisasjonsteknikken SABER som tillater å justere kjernefysiske spinn i stort antall i løsning.

Det finnes en rekke slike teknikker som vil produsere et signal som er tilstrekkelig for deteksjon under ZULF-forhold. Blant disse er SABRE, forkortelse for Signal Amplification by Reversible Exchange, som har vist seg å være spesielt godt egnet. Sentralt i SABRE-teknikken er et iridiummetallkompleks som formidler overføringen av spinnrekkefølgen fra parahydrogen til et substrat.

Barskiy har klart å omgå ulempene som følge av den midlertidige bindingen av prøven til komplekset ved å bruke SABRE-Relay, en helt fersk forbedring av SABRE-teknikken. I dette tilfellet brukes SABRE for å indusere polarisering som deretter videresendes til et sekundært substrat.

Spinnkjemi i grensesnittet mellom fysikk og kjemi

I papiret deres med tittelen “Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance” publisert i Vitenskapens fremskrittDr. Danila Barskiy, hovedforfatter Erik Van Dyke, og deres medforfattere rapporterer om hvordan de var i stand til å oppdage signalene for metanol og etanol ekstrahert fra en prøve av vodka.

“Dette enkle eksemplet viser hvordan vi har vært i stand til å utvide bruksområdet for ZULF NMR ved hjelp av en rimelig, rask og allsidig metode for hyperpolarisering,” oppsummerte Barskiy. “Vi håper at vi har klart å komme litt nærmere målet vårt om å muliggjøre utviklingen av kompakte, bærbare enheter som kan brukes til analyse av væsker som blod og urin og i fremtiden muligens gi diskriminering av spesielle kjemikalier. som glukose og aminosyrer.”

---

---