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 att kraftfulla magnetfält genereras, vilket begränsar användningsområdet.

Forskare som arbetar vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu upptäckt potentiella nya sätt att minska storleken på motsvarande anordningar och även den eventuella associerade risken genom att eliminera behovet av starka magnetfält. Detta uppnås genom att kombinera så kallad noll- till ultralågfälts-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, en Sofja Kovalevskaja Award-vinnare som har arbetat inom relevant disciplin på JGU och HIM sedan dess. 2020.

Ny metod för att möjliggöra mätningar utan starka magnetfält

Den nuvarande generationen av NMR-enheter är – på grund av magneterna – extremt tung och dyr. En annan komplicerande faktor är den nuvarande bristen på flytande helium som används som kylmedel. "Med vår nya teknik flyttar vi gradvis ZULF NMR mot en status av att vara helt magnetfria, men vi har fortfarande många utmaningar att övervinna", sa Barskiy.

För att göra magneter överflödiga i detta sammanhang har Barskiy kommit på idén att kombinera noll- till ultralågfältskärnmagnetisk resonans (ZULF NMR) med en speciell teknik som gör det möjligt att hyperpolarisera atomkärnor. ZULF NMR är i sig en nyligen utvecklad form av spektroskopi som ger rikliga analysresultat utan behov av stora magnetfält.

En annan fördel jämfört med högfälts-NMR är det faktum att dess signaler också lätt kan detekteras i närvaro av ledande material, såsom metaller. Sensorerna som används för ZULF NMR, typiskt optiskt pumpade magnetometrar, är mycket känsliga, lätta att använda och de finns redan kommersiellt tillgängliga. Det är alltså relativt enkelt att sätta ihop en ZULF NMR-spektrometer.

SABRE-Relay:Överför snurrorder som en batong

Emellertid är den genererade NMR-signalen ett problem som måste hanteras. De metoder som hittills har använts för att generera signalen lämpar sig endast för analys av ett begränsat urval av kemikalier eller är på annat sätt förknippade med orimliga kostnader. Av denna anledning har Barskiy bestämt sig för att utnyttja hyperpolariseringstekniken SABER som gör det möjligt att anpassa kärnspinn i stort antal i lösning.

Det finns ett antal sådana tekniker som skulle producera en signal som är tillräcklig för detektering under ZULF-förhållanden. Bland dessa finns SABRE, förkortning för Signal Amplification by Reversible Exchange, som har visat sig vara särskilt väl lämpad. Centralt för SABRE-tekniken är ett iridiummetallkomplex som förmedlar överföringen av spin-ordningen från paraväte till ett substrat.

Barskiy har lyckats kringgå nackdelarna till följd av den tillfälliga bindningen av provet till komplexet genom att använda SABRE-Relay, en mycket ny förbättring av SABRE-tekniken. I detta fall används SABRE för att inducera polarisering som sedan vidarebefordras till ett sekundärt substrat.

Spin kemi i gränssnittet mellan fysik och kemi

I deras artikel med titeln "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" publicerad i Science Advances , Dr Danila Barskiy, huvudförfattaren Erik Van Dyke och deras medförfattare rapporterar om hur de kunde detektera signalerna för metanol och etanol extraherat från ett prov av vodka.

"Detta enkla exempel visar hur vi har kunnat utöka tillämpningsområdet för ZULF NMR med hjälp av en billig, snabb och mångsidig metod för hyperpolarisering," sammanfattade Barskiy. "Vi hoppas att vi har lyckats komma lite närmare vårt mål att möjliggöra utvecklingen av kompakta, bärbara enheter som kan användas för analys av vätskor som blod och urin och i framtiden eventuellt ge diskriminering av särskilda kemikalier som glukos och aminosyror." + Utforska vidare

Placera ytterligare en bit i pusslet med mörk materia