Nucleaire magnetische resonantie (NMR) is een analytisch hulpmiddel met een breed scala aan toepassingen, waaronder de magnetische resonantie beeldvorming die wordt gebruikt voor diagnostische doeleinden in de geneeskunde. NMR vereist echter vaak dat krachtige magnetische velden worden gegenereerd, wat de reikwijdte van het gebruik ervan beperkt.

Onderzoekers van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en het Helmholtz Institute Mainz (HIM) hebben nu potentiële nieuwe manieren ontdekt om de afmetingen van de overeenkomstige apparaten en ook het mogelijke bijbehorende risico te verkleinen door de noodzaak van sterke magnetische velden te elimineren. Dit wordt bereikt door zogenaamde zero-to-ultralow-field NMR te combineren met een speciale hyperpolarisatietechniek. "Deze opwindende nieuwe methode is gebaseerd op een innovatief concept. Het opent een hele reeks mogelijkheden en overwint eerdere nadelen", zegt Dr. Danila Barskiy, een Sofja Kovalevskaja Award-winnaar die sindsdien in de relevante discipline bij JGU en HIM werkt. 2020.

Nieuwe aanpak om metingen mogelijk te maken zonder sterke magnetische velden

De huidige generatie NMR-apparaten is - vanwege de magneten - extreem zwaar en duur. Een andere complicerende factor is het huidige tekort aan vloeibaar helium dat als koelmiddel wordt gebruikt. "Met onze nieuwe techniek brengen we ZULF NMR geleidelijk naar een status van volledig magneetvrij, maar we moeten nog veel uitdagingen overwinnen", aldus Barskiy.

Om magneten in deze context overbodig te maken, kwam Barskiy op het idee om zero-to ultralow-field nucleaire magnetische resonantie (ZULF NMR) te combineren met een speciale techniek die het mogelijk maakt om atoomkernen te hyperpolariseren. ZULF NMR is zelf een recent ontwikkelde vorm van spectroscopie die overvloedige analytische resultaten oplevert zonder de noodzaak van grote magnetische velden.

Een ander voordeel ten opzichte van high-field NMR is het feit dat de signalen ervan ook gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd in de aanwezigheid van geleidende materialen, zoals metalen. De sensoren die worden gebruikt voor ZULF NMR, meestal optisch gepompte magnetometers, zijn zeer gevoelig, gemakkelijk te gebruiken en zijn al in de handel verkrijgbaar. Het is dus relatief eenvoudig om een ​​ZULF NMR-spectrometer in elkaar te zetten.

SABRE-Relay:draaivolgorde overdragen als een stokje

Het gegenereerde NMR-signaal is echter een probleem dat moet worden aangepakt. De methoden die tot nu toe zijn gebruikt om het signaal te genereren, zijn alleen geschikt voor de analyse van een beperkte selectie chemicaliën of gaan anderszins gepaard met exorbitante kosten. Om deze reden heeft Barskiy besloten om gebruik te maken van de hyperpolarisatietechniek SABRE waarmee kernspins in grote aantallen in oplossing kunnen worden uitgelijnd.

Er zijn een aantal van dergelijke technieken die een signaal zouden produceren dat voldoende is voor detectie in ZULF-omstandigheden. Hiertoe behoort SABRE, een afkorting voor Signal Amplification by Reversible Exchange, dat bijzonder geschikt is gebleken. Centraal in de SABRE-techniek staat een iridiummetaalcomplex dat de overdracht van de spinvolgorde van parawaterstof naar een substraat bemiddelt.

Barskiy is erin geslaagd de nadelen van de tijdelijke binding van het monster aan het complex te omzeilen door gebruik te maken van SABRE-Relay, een zeer recente verbetering van de SABRE-techniek. In dit geval wordt SABRE gebruikt om polarisatie te induceren die vervolgens wordt doorgegeven aan een secundair substraat.

Spin scheikunde op het grensvlak van natuurkunde en scheikunde

In hun paper getiteld "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance", gepubliceerd in Science Advances , Dr. Danila Barskiy, hoofdauteur Erik Van Dyke, en hun co-auteurs rapporteren over hoe ze de signalen voor methanol en ethanol konden detecteren die uit een monster wodka werden gehaald.

"Dit eenvoudige voorbeeld laat zien hoe we het toepassingsgebied van ZULF NMR hebben kunnen uitbreiden met behulp van een goedkope, snelle en veelzijdige methode van hyperpolarisatie", vat Barskiy samen. "We hopen dat we erin geslaagd zijn iets dichter bij ons doel te komen om de ontwikkeling van compacte, draagbare apparaten mogelijk te maken die kunnen worden gebruikt voor de analyse van vloeistoffen zoals bloed en urine en in de toekomst mogelijk discriminatie van bepaalde chemicaliën mogelijk maken. zoals glucose en aminozuren." + Verder verkennen

Nog een stukje in de donkere materie puzzel plaatsen