211service.com
Palm-Size NMR
Rumsstora kärnmagnetiska resonansmaskiner kan krympa till handhållna, bärbara enheter tack vare en liten, lätt magnetdesign som utvecklats av tyska forskare.
Pocket NMR: En specialdesignad permanentmagnet i batteristorlek genererar ett magnetfält som är tillräckligt enhetligt för att utföra högupplöst NMR på kemiska prover i ett kommersiellt NMR-rör.
Kärnmagnetisk resonansspektroskopi är ett vanligt verktyg för att studera proteiners struktur och identifiera den kemiska sammansättningen av ett material. Den utgör också grunden för den medicinska avbildningstekniken magnetisk resonanstomografi, eller MRI. Men skrymmande och dyra supraledande magneter används för att generera de starka magnetfälten (cirka sju tesla) som behövs för precisions-NMR.
Magneten, utvecklad av Federico Casanova och hans kollegor på RWTH Aachen University avdelningen för makromolekylär kemi, är ungefär lika stor som ett standard D-batteri och väger 500 gram. Medan bärbara magneter har gjorts tidigare, möjliggör den nya NMR-mätningar som är lika exakta som de stora kommersiella magneterna. Detta är ett betydande ytterligare steg mot mobilt högupplöst NMR, säger Alexander Pines , en kemiprofessor vid University of California, Berkeley, som utvecklar en ny typ av kompakta MRI-designer.
När storleken på en permanent magnet krymper, genererar den magnetiska fält som är enhetliga över en mindre volym på grund av små brister i dess material och form. Detta innebär att mindre av ett materialprov kan användas, vilket gör NMR-mätningarna nästan tusen gånger mindre känsliga än om en supraledande magnet användes. NMR-signalen blir då jämförbar med det elektroniska bruset, och enheten kan missa kemikalier som finns i mycket små mängder.
Den nya magneten genererar ett magnetfält på 0,7 tesla, men den genererar ett extremt homogent fält. Som ett resultat är det den första bärbara magneten som fungerar med de konventionella femmillimetersrören där NMR-prover placeras. Målet med vårt arbete var att ta det här röret, hålla volymen konstant och bygga den minsta magneten med önskad homogenitet, säger Casanova. Det viktiga vi gjorde är att korrigera inhomogeniteten som kommer från brister i magneten.
Kallar resultatet imponerande, Louis Bouchard , en kemiprofessor vid University of California Los Angeles, säger att ingen tidigare bärbar magnetdesign har uppnått så bra prestanda. Bouchard tror att kostnaden för magneten borde vara mycket lägre än för dagens kommersiella NMR-magneter. Detta kommer sannolikt att leda till att sådana NMR-enheter blir mycket mer utbredda, säger han. Om de här killarna sålde den här produkten kommersiellt skulle jag förmodligen köpa en.
Den bärbara magneten kan möjliggöra känsliga, högupplösta NMR-enheter som kan tas till en arkeologisk utgrävning för att identifiera artefakter och till en fabrik för att upptäcka kontaminering i produkter. Det kan användas på läkarmottagningar för att upptäcka blodproppar, bakterier eller cancerproteiner i en patients blod. Det kan också tillåta bärbara NMR-maskiner att övervaka produktionen av läkemedel och kemikalier i rad istället för att ta kemiska prover till NMR-labb för analys.
Casanova och hans kollegor har justerat en välkänd magnetdesign känd som en Halbach-array, ett speciellt arrangemang av många permanentmagneter som fokuserar magnetfält endast på ena sidan av arrayen. En vanlig design är en Halbach-cylinder, som har ett intensivt magnetfält inuti cylindern. Det är vad forskarna börjar med. Som de beskriver i en tidning som lagts ut på nätet i tidskriften tillämpad kemi , staplar de först tre ringar av samariumkobolt för att göra cylindern. Cylinderns ytterdiameter är 35 millimeter; innerdiametern på 15 millimeter är tillräckligt stor för att hålla ett vanligt NMR-rör.
Varje magnetring är gjord av trapetsformade bitar med mellanrum. Dessa luckor är fyllda med rektangulära bitar som rör sig in och ut med upp till två millimeter. Forskarna mäter inhomogeniteten i magnetfältet som skapas av Halbach-ringarna. Sedan, med hjälp av sofistikerade datorsimuleringar, beräknar de hur mycket de behöver för att flytta var och en av de rektangulära bitarna för att justera magnetfältet och jämna ut inhomogeniteter.
Ännu bättre magneter kan vara möjliga genom att finjustera designen, säger forskarna. Medan magnetens fältstyrka är 0,7 tesla just nu, bör en ökning av magnetens yttre diameter göra det möjligt att generera 1,5 tesla, säger forskarna. Dessutom kan så mycket som två tesla genereras med hjälp av magneter gjorda av andra material som neodym.