211service.com
NMR-formaat op handpalm
Kamergrote nucleaire magnetische resonantiemachines kunnen krimpen tot draagbare, draagbare apparaten dankzij een klein, lichtgewicht magneetontwerp dat is ontwikkeld door Duitse onderzoekers.
Zak-NMR: Een speciaal ontworpen permanente magneet ter grootte van een batterij genereert een magnetisch veld dat uniform genoeg is om NMR met hoge resolutie uit te voeren op chemische monsters in een commerciële NMR-buis.
Kernmagnetische resonantiespectroscopie is een veelgebruikt hulpmiddel voor het bestuderen van de structuur van eiwitten en het identificeren van de chemische samenstelling van een materiaal. Het vormt ook de basis van de medische beeldvormingstechniek magnetische resonantie beeldvorming, of MRI. Er worden echter omvangrijke en dure supergeleidende magneten gebruikt om de sterke magnetische velden (ongeveer zeven tesla) te genereren die nodig zijn voor nauwkeurige NMR.
De magneet, ontwikkeld door Federico Casanova en zijn collega's van de RWTH Universiteit van Aken ’s afdeling macromoleculaire chemie, is ongeveer zo groot als een standaard D-batterij en weegt 500 gram. Hoewel er al eerder draagbare magneten zijn gemaakt, maakt de nieuwe NMR-metingen mogelijk die net zo nauwkeurig zijn als de grote commerciële magneten. Dit is een belangrijke extra stap in de richting van mobiele NMR met hoge resolutie, zegt Alexander Pines , een professor scheikunde aan de University of California, Berkeley, die een nieuw type compacte MRI-ontwerpen ontwikkelt.
Naarmate de grootte van een permanente magneet krimpt, genereert deze magnetische velden die uniform zijn over een kleiner volume vanwege kleine onvolkomenheden in het materiaal en de vorm. Dit betekent dat er minder van een materiaalmonster kan worden gebruikt, waardoor de NMR-metingen bijna duizend keer minder gevoelig zijn dan wanneer een supergeleidende magneet zou worden gebruikt. Het NMR-signaal wordt dan vergelijkbaar met de elektronische ruis en het apparaat kan chemicaliën missen die in zeer kleine hoeveelheden aanwezig zijn.
De nieuwe magneet genereert een magnetisch veld van 0,7 tesla, maar genereert een extreem homogeen veld. Het is daarmee de eerste draagbare magneet die werkt met de conventionele vijf millimeter buisjes waarin NMR-monsters worden geplaatst. Het doel van ons werk was om deze buis te nemen, het volume constant te houden en de kleinste magneet met de gewenste homogeniteit te bouwen, zegt Casanova. Het belangrijkste dat we hebben gedaan, is de inhomogeniteit corrigeren die het gevolg is van onvolkomenheden in de magneet.
De resultaten indrukwekkend noemen, Louis Bouchard , een professor in de chemie aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, zegt dat geen enkel eerder ontwerp van draagbare magneet zulke goede prestaties heeft geleverd. Bouchard is van mening dat de kosten van de magneet veel lager moeten zijn dan die van de huidige commerciële NMR-magneten. Dit zal er waarschijnlijk toe leiden dat dergelijke NMR-eenheden veel meer wijdverspreid zullen zijn, zegt hij. Als deze jongens dit product commercieel zouden verkopen, zou ik er waarschijnlijk een kopen.
De draagbare magneet kan gevoelige NMR-apparaten met hoge resolutie mogelijk maken die naar een archeologische opgraving kunnen worden gebracht om artefacten te identificeren en naar een fabriek om verontreiniging in producten te detecteren. Het kan in dokterspraktijken worden gebruikt om bloedstolsels, bacteriën of kankereiwitten in het bloed van een patiënt op te sporen. Het zou er ook voor kunnen zorgen dat draagbare NMR-machines de productie van medicijnen en chemicaliën in-line kunnen monitoren in plaats van chemische monsters naar NMR-laboratoria te brengen voor analyse.
Casanova en zijn collega's hebben een bekend magneetontwerp aangepast dat bekend staat als een Halbach-array, een speciale opstelling van veel permanente magneten die magnetische velden slechts aan één kant van de array focust. Een veelgebruikt ontwerp is een Halbach-cilinder, die een intens magnetisch veld in de cilinder heeft. Daar beginnen de onderzoekers mee. Zoals ze beschrijven in een paper die online in het tijdschrift is geplaatst toegepaste chemie , stapelen ze eerst drie ringen van samariumkobalt op elkaar om de cilinder te maken. De buitendiameter van de cilinder is 35 millimeter; de binnendiameter van 15 millimeter is groot genoeg voor een standaard NMR-buis.
Elke magneetring is gemaakt van trapeziumvormige stukken met tussenruimtes. Deze openingen zijn gevuld met rechthoekige stukken die tot twee millimeter in en uit kunnen bewegen. De onderzoekers meten de inhomogeniteit in het magnetische veld van de Halbach-ringen. Vervolgens berekenen ze met behulp van geavanceerde computersimulaties hoeveel ze nodig hebben om elk van de rechthoekige stukken te verplaatsen om het magnetische veld aan te passen en inhomogeniteiten weg te werken.
Nog betere magneten zijn mogelijk door het ontwerp te verfijnen, zeggen de onderzoekers. Hoewel de veldsterkte van de magneet op dit moment 0,7 tesla is, zou het vergroten van de buitendiameter van de magneet het mogelijk moeten maken om 1,5 tesla te genereren, zeggen de onderzoekers. Bovendien zou met magneten van andere materialen zoals neodymium maar liefst twee Tesla kunnen worden gegenereerd.