Palmestørrelse NMR

Nuklear magnetisk resonansmaskiner i rumstørrelse kan krympe til håndholdte, bærbare enheder takket være et lille letvægtsmagnetdesign udviklet af tyske forskere.

Pocket NMR: En specialdesignet permanent magnet på batteristørrelse genererer et magnetfelt, der er ensartet nok til at udføre højopløsnings-NMR på kemiske prøver i et kommercielt NMR-rør.

Kernemagnetisk resonansspektroskopi er et almindeligt værktøj til at studere strukturen af ​​proteiner og identificere den kemiske sammensætning af et materiale. Det danner også grundlaget for den medicinske billedbehandlingsteknik magnetisk resonansbilleddannelse eller MR. Imidlertid bruges voluminøse og dyre superledende magneter til at generere de stærke magnetiske felter (ca. syv tesla), der er nødvendige for præcisions-NMR.

Magneten, udviklet af Federico Casanova og hans kolleger på RWTH Aachen Universitet 's afdeling for makromolekylær kemi, er på størrelse med et standard D-batteri og vejer 500 gram. Mens bærbare magneter er blevet lavet før, muliggør den nye NMR-målinger, der er lige så præcise som de store kommercielle magneter. Dette er et væsentligt yderligere skridt hen imod mobil højopløsnings-NMR, siger Alexander Pines , en kemiprofessor ved University of California, Berkeley, som er ved at udvikle en ny type kompakte MRI-design.

Når størrelsen af ​​en permanent magnet krymper, genererer den magnetiske felter, der er ensartede over et mindre volumen på grund af små ufuldkommenheder i dens materiale og form. Dette betyder, at der kan bruges mindre af en materialeprøve, hvilket gør NMR-målingerne næsten tusind gange mindre følsomme, end hvis en superledende magnet blev brugt. NMR-signalet bliver så sammenligneligt med den elektroniske støj, og enheden kan gå glip af kemikalier, der er til stede i meget små mængder.

Den nye magnet genererer et magnetfelt på 0,7 tesla, men den genererer et ekstremt homogent felt. Som et resultat er det den første bærbare magnet, der fungerer sammen med de konventionelle fem-millimeter rør, hvori NMR-prøver er placeret. Målet med vores arbejde var at tage dette rør, holde volumen konstant og bygge den mindste magnet med den ønskede homogenitet, siger Casanova. Det vigtige, vi gjorde, var at korrigere den inhomogenitet, der kommer fra ufuldkommenheder i magneten.

Kalder resultaterne imponerende, Louis Bouchard , en professor i kemi ved University of California Los Angeles, siger, at intet tidligere bærbart magnetdesign har opnået så god ydeevne. Bouchard mener, at prisen på magneten burde være meget lavere end for nutidens kommercielle NMR-magneter. Dette vil sandsynligvis føre til, at sådanne NMR-enheder bliver meget mere udbredte, siger han. Hvis disse fyre solgte dette produkt kommercielt, ville jeg sandsynligvis købe et.

Den bærbare magnet kunne muliggøre følsomme, højopløselige NMR-enheder, der kan tages med til en arkæologisk udgravning for at identificere artefakter og til en fabrik for at opdage forurening i produkter. Det kan bruges på lægekontorer til at spotte blodpropper, bakterier eller kræftproteiner i en patients blod. Det kunne også give bærbare NMR-maskiner mulighed for at overvåge produktionen af ​​lægemidler og kemikalier in-line i stedet for at tage kemiske prøver til NMR-laboratorier til analyse.

Casanova og hans kolleger har tilpasset et velkendt magnetdesign kendt som et Halbach-array, et særligt arrangement af mange permanente magneter, der kun fokuserer magnetiske felter på den ene side af arrayet. Et almindeligt design er en Halbach cylinder, som har et intenst magnetfelt inde i cylinderen. Det er det, forskerne starter med. Som de beskriver i et papir, der er lagt online i journalen anvendt kemi , stabler de først tre ringe af samarium-kobolt for at lave cylinderen. Cylinderens udvendige diameter er 35 millimeter; den indvendige diameter på 15 millimeter er stor nok til at rumme et standard NMR-rør.

Hver magnetring er lavet af trapezformede stykker med mellemrum imellem. Disse huller er fyldt med rektangulære stykker, der bevæger sig ind og ud med op til to millimeter. Forskerne måler inhomogeniteten i det magnetiske felt skabt af Halbach-ringene. Derefter beregner de ved hjælp af sofistikerede computersimuleringer, hvor meget de skal bruge for at flytte hver af de rektangulære stykker for at justere magnetfeltet og udjævne inhomogeniteter.

Endnu bedre magneter kan være mulige ved at finjustere designet, siger forskerne. Mens magnetens feltstyrke er 0,7 tesla lige nu, skulle en forøgelse af magnetens ydre diameter gøre det muligt at generere 1,5 tesla, siger forskerne. Hvad mere er, ved hjælp af magneter lavet af andre materialer såsom neodym, kunne der genereres så meget som to teslaer.

skjule