La risonanza magnetica nucleare (NMR) è uno strumento analitico con un'ampia gamma di applicazioni, inclusa la risonanza magnetica utilizzata per scopi diagnostici in medicina. Tuttavia, l'NMR richiede spesso la generazione di potenti campi magnetici, il che limita l'ambito del suo utilizzo.

I ricercatori che lavorano presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e l'Helmholtz Institute Mainz (HIM) hanno ora scoperto potenziali nuovi modi per ridurre le dimensioni dei dispositivi corrispondenti e anche il possibile rischio associato, eliminando la necessità di forti campi magnetici. Ciò si ottiene combinando la cosiddetta NMR da zero a ultrabasso campo con una speciale tecnica di iperpolarizzazione. "Questo nuovo entusiasmante metodo si basa su un concetto innovativo. Offre un'intera gamma di opportunità e supera gli svantaggi precedenti", ha affermato la dott.ssa Danila Barskiy, vincitrice del premio Sofja Kovalevskaja che da allora lavora nella disciplina pertinente presso JGU e HIM 2020.

Nuovo approccio per consentire misurazioni senza forti campi magnetici

L'attuale generazione di dispositivi NMR è, a causa dei magneti, estremamente pesante e costosa. Un altro fattore complicante è l'attuale carenza di elio liquido che viene impiegato come refrigerante. "Con la nostra nuova tecnica stiamo gradualmente spostando ZULF NMR verso uno stato completamente privo di magneti, ma abbiamo ancora molte sfide da superare", ha affermato Barskiy.

Per rendere ridondanti i magneti in questo contesto, Barskiy ha avuto l'idea di combinare la risonanza magnetica nucleare a campo zero o ultrabasso (ZULF NMR) con una tecnica speciale che rende possibile l'iperpolarizzazione dei nuclei atomici. ZULF NMR è esso stesso una forma di spettroscopia sviluppata di recente che fornisce risultati analitici abbondanti senza la necessità di ampi campi magnetici.

Un altro vantaggio rispetto all'NMR ad alto campo è il fatto che i suoi segnali possono essere facilmente rilevati anche in presenza di materiali conduttivi, come i metalli. I sensori impiegati per ZULF NMR, tipicamente magnetometri a pompaggio ottico, sono altamente sensibili, facili da usare e sono già disponibili in commercio. Quindi è relativamente semplice assemblare uno spettrometro NMR ZULF.

SABRE-Relay:trasferimento dell'ordine di rotazione come un testimone

Tuttavia, il segnale NMR generato è un problema da affrontare. I metodi che sono stati utilizzati fino ad oggi per generare il segnale sono adatti solo per l'analisi di una selezione limitata di sostanze chimiche o sono comunque associati a costi esorbitanti. Per questo Barskiy ha deciso di sfruttare la tecnica di iperpolarizzazione SABRE che permette di allineare spin nucleari a grandi numeri in soluzione.

Esistono numerose tecniche di questo tipo che produrrebbero un segnale sufficiente per il rilevamento in condizioni ZULF. Tra questi c'è SABRE, abbreviazione di Signal Amplification by Reversible Exchange, che si è rivelato particolarmente adatto. Al centro della tecnica SABRE c'è un complesso di metallo iridio che media il trasferimento dell'ordine di spin dal paraidrogeno a un substrato.

Barskiy è riuscito a eludere gli svantaggi derivanti dal legame temporaneo del campione al complesso impiegando SABRE-Relay, un recentissimo miglioramento della tecnica SABRE. In questo caso, SABRE viene utilizzato per indurre la polarizzazione che viene poi inoltrata a un substrato secondario.

Spin la chimica all'interfaccia tra fisica e chimica

Nel loro articolo intitolato "Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance" pubblicato su Science Advances , la dott.ssa Danila Barskiy, l'autore principale Erik Van Dyke e i loro coautori riferiscono di come sono stati in grado di rilevare i segnali di metanolo ed etanolo estratti da un campione di vodka.

"Questo semplice esempio dimostra come siamo stati in grado di estendere la gamma di applicazioni di ZULF NMR con l'aiuto di un metodo di iperpolarizzazione economico, rapido e versatile", ha riassunto Barskiy. "Ci auguriamo di essere riusciti ad avvicinarci un po' al nostro obiettivo di rendere fattibile lo sviluppo di dispositivi compatti e portatili che possano essere utilizzati per l'analisi di liquidi come sangue e urina e, in futuro, possibilmente discriminando determinate sostanze chimiche come il glucosio e gli aminoacidi". + Esplora ulteriormente

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