Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это аналитический инструмент с широким спектром применений, включая магнитно-резонансную томографию, которая используется в диагностических целях в медицине. Однако ЯМР часто требует создания мощных магнитных полей, что ограничивает область его применения.
Исследователи, работающие в Университете имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) и Институте Гельмгольца в Майнце (HIM), открыли потенциальные новые способы уменьшения размера соответствующих устройств, а также возможный связанный с этим риск за счет устранения необходимости в сильных магнитных полях . Это достигается за счет сочетания так называемого ЯМР с нулевым и сверхнизким полем со специальной техникой гиперполяризации. «Этот захватывающий новый метод основан на инновационной концепции. Он открывает целый ряд возможностей и преодолевает предыдущие недостатки», — сказал д-р Данила Барский, лауреат премии Софьи Ковалевской, работающий в соответствующей дисциплине в JGU и HIM с 2020.
Новый подход, позволяющий проводить измерения без сильных магнитных полей
Нынешнее поколение устройств ЯМР из-за магнитов чрезвычайно тяжелое и дорогое. Еще одним осложняющим фактором является существующая нехватка жидкого гелия, используемого в качестве теплоносителя. «Благодаря нашей новой методике мы постепенно приближаем ЯМР ZULF к состоянию полного отсутствия магнитов, но нам еще предстоит решить много проблем», — заявил Барский.
Чтобы сделать магниты излишними в этом контексте, Барский предложил объединить ядерный магнитный резонанс в диапазоне от нулевого до сверхнизкого поля (ЯМР ZULF) со специальной техникой, позволяющей гиперполяризовать атомные ядра. ZULF ЯМР сам по себе является недавно разработанной формой спектроскопии, которая обеспечивает многочисленные аналитические результаты без необходимости использования больших магнитных полей.
Еще одним преимуществом перед ЯМР в сильном поле является тот факт, что его сигналы также можно легко обнаружить в присутствии проводящих материалов, таких как металлы. Датчики, используемые для ЯМР ZULF, обычно магнитометры с оптической накачкой, обладают высокой чувствительностью, просты в использовании и уже доступны в продаже. Таким образом, собрать ЯМР-спектрометр ZULF относительно просто.
SABRE-Relay: передача порядка вращения как жезла
Однако сгенерированный сигнал ЯМР требует решения. Методы, которые использовались до сих пор для генерации сигнала, подходят только для анализа ограниченного набора химических веществ или иным образом связаны с непомерными затратами. По этой причине Барский решил использовать метод гиперполяризации SABRE, который позволяет выравнивать ядерные спины в растворе при большом количестве.
Существует ряд таких методов, которые давали бы сигнал, достаточный для обнаружения в условиях ZULF. Среди них SABRE, сокращенно от Signal Amplification by Reversible Exchange, которая оказалась особенно подходящей. Центральное место в методе SABRE занимает комплекс металлического иридия, который обеспечивает передачу спинового порядка от параводорода к подложке.
Барскому удалось обойти недостатки, связанные с временным связыванием образца с комплексом, применив SABRE-Relay, совсем недавнее усовершенствование техники SABRE. В этом случае SABRE используется для создания поляризации, которая затем передается на вторичную подложку.
Спиновая химия на стыке физики и химии
В своей статье под названием «Ретрансляционная гиперполяризация для ядерного магнитного резонанса с нулевым полем», опубликованной в журнале Science Advances , д-р Данила Барский, ведущий автор Эрик Ван Дайк и их соавторы сообщают о том, как им удалось обнаружить сигналы для метанола и этанола. извлекается из пробы водки.
«Этот простой пример демонстрирует, как мы смогли расширить область применения ZULF ЯМР с помощью недорогого, быстрого и универсального метода гиперполяризации», — резюмировал Барский. «Мы надеемся, что нам удалось немного приблизиться к нашей цели сделать возможной разработку компактных портативных устройств, которые можно использовать для анализа жидкостей, таких как кровь и моча, и в будущем, возможно, обеспечивающих различение определенных химических веществ, таких как глюкоза и аминокислоты».
