טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה באתרו זווית קסם ספינינג ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית גרעינית
9 באוקטובר 2020
המבנים המולקולריים והדינמיקה של מוצקים, נוזלים, גזים ותערובות הם בעלי עניין קריטי בתחומים מדעיים מגוונים. טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה באתרו MAS NMR מאפשר זיהוי של הסביבה הכימית של המרכיבים במערכות פאזה מעורבת תחת סביבות כימיות מבוקרות היטב.
שיטה לא הרסנית זו יכולה לשמש לניתוח מערכות מורכבות בטמפרטורות ולחצים מבוקרים לאורך זמן, ולכן היא שימושית מאוד לחקירת שאלות מדעיות מרכזיות. שיטות אלו מאפשרות לבצע ניסויי תמ"ג בתנאים מבוקרים ומיוחדים, כדי לפתור בעיות בסביבות הרלוונטיות להשערה המדעית הנחקרת. האופי הרב-גרעיני של NMR הופך אותו למתאים לדגימות רבות.
יחד עם שיטה זו, היא יכולה לספק תובנה לגבי מערך של מערכות, המשתרעות על פני תחומים כמו קטוליזה, גיאוכימיה וביולוגיה. לטיפול מקדים בדגימה מוצקה, שקלו בערך פי שניים ממסת הדגימה המוצקה הרצויה לניסוי ה-NMR, והניחו את הדגימה המוצקה לתוך צינור דגימת קוורץ המחובר בצמר קוורץ. חבר את שסתומי הבידוד לצינור לצורך טיפול מקדים מעניין, וקבע את קצה הצינור על שסתום בידוד הגז במצב פתוח.
לאחר מכן, הכנס את הצינור לתנור הקריר והתחל בטיפול. לאחר הטיפול יש לעצור את הזרימה והוואקום ולכבות את בקר הטמפרטורה. נתק את צינור הקוורץ ממערכת הטיפול, ואטום במהירות את הדגימה עם שסתומי הבידוד כדי לשמור על סביבת הדגימה הרצויה.
לאחר מכן, העבירו את הצינורות והשסתומים הסגורים לחדר המבוא. כדי להעמיס את הדגימות לתוך רוטור NMR, ראשית, הנח את הרוטור לתוך המחזיק כדי לשמור על כיווניות, והנח את משפך הדגימה לתוך קדח הרוטור. הסר את שסתום הבידוד מצינור הדגימה, ושפך כמות קטנה של חומר מוצק לתוך המשפך.
הקש את האבקה כלפי מטה לתוך המשפך באמצעות מוט אריזה כדי לכוון קלות את הדגימה לתוך הרוטור לפי הצורך. לאחר טעינת כמות הדגימה הרצויה, ניתן להשתמש במיקרו-מזרק כדי להזריק לאט את הנפח הרצוי של דגימת נוזל למרכז הרוטור לפני הנחת המכסה על החלק העליון של הרוטור, וסיבוב המכסה נגד כיוון השעון עם סיבית מכסה הרוטור כדי לחבר את טבעת ה-O בין הרוטור למכסה. כדי לטעון את רוטור ה-NMR בכימיקלים המעניינים, הנח את הרוטור האטום על הרוטור tagוהדק את האום ביד כדי לאבטח את הרוטור במקומו.
הורד את הרוטור stage לחלק התחתון של התקן החשיפה בלחץ גבוה, והשתמש במפתח אלן כדי לסובב את אחד הברגים 90 מעלות כדי לאבטח את הרוטור stage לתחתית מכשיר החשיפה. הנח את החלק העליון של התקן טעינת ה-NMR לתוך ומעל החלק התחתון, כאשר סיבית מכסה ה-NMR מיושרת עם החלק העליון של ראש המכסה של רוטור ה-NMR. הנח את שני clamps מעל החלק העליון של השפה במקום שבו החלקים העליונים והתחתונים של מכשיר החשיפה נפגשים, ונעל את clamps למקומם.
הדק את ששת הברגים בחלק העליון של החלק העליון של מכשיר החשיפה כדי לחבר את משטח התקרה בין החלקים העליונים והתחתונים, וחבר את הצמד התרמי בחלק העליון של התקן החשיפה ל-NMR לכניסת ויציאות קו הגז. החל ואקום על המערכת כדי לטהר את תא הטעינה בלחץ גבוה מגזי הסביבה. פתח את שסתומי מקור הגז במשאבת המזרק בלחץ גבוה, והפעל את התוכנית שנקבעה על המשאבה תוך ניטור הלחץ האמיתי בתוך מכשיר החשיפה.
כדי לפתוח את רוטור ה-NMR, סובב את מנגנון הבורג החיצוני, המחובר למכסה ה-NMR הפנימי בכיוון השעון כדי לאפשר לגז בלחץ הרצוי להיכנס לרוטור ה-NMR ולהתאזן. כדי לאטום מחדש את רוטור ה-NMR, סובב את מנגנון הבורג החיצוני נגד כיוון השעון. חלון צפייה יסייע לקבוע מתי הרוטור סגור.
לאחר מכן, פתח את שסתום יציאת הגז של מכשיר החשיפה כדי להוריד לאט את לחץ המערכת. כדי לבצע ניסוי תמ"ג מסתובב בזווית קסם, הנח את רוטור ה-NMR לתוך סליל ה-NMR בבדיקת ה-NMR, והרם ונעל את הגשושית למקומה בקידוח המגנט. השתמש בתיבת הבקרה של סיבוב זווית הקסם כדי להתאים את הדגימה לקצב סיבוב הרוטור הרצוי, ולהתחיל ספינינג דגימה.
השתמש במחשב כדי להתחיל את רצף התאמת הכוונון בערוץ הרצוי, והתאם את הגדרות התאמת הכוונון על הגשושית כדי לייעל את האלקטרוניקה של הבדיקה, ולאחר מכן, אסוף את נתוני ה-NMR המסתובבים בזווית הקסם. בניתוח מייצג זה, ניתן לראות תובנה מסוימת לגבי מנגנון התגובה התפעולי להמרת אתנול לבוטנים. היווצרות בוטירלדהיד, יחד עם היעלמות בו-זמנית של פסגות האופייניות לקרוטונלדהיד, ואחריה צריכה עוקבת של בוטירלדהיד והופעה נלווית של פסגות האופייניות ל-n-בוטנים, מצביעות על כך שבוטירלדהיד הוא ביניים בהיווצרות n-בוטן.
ניתן להשתמש בתמ"ג מסתובב בזווית קסם בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה כדי להבין טוב יותר את האבולוציה של מינים כימיים ליישומים ביולוגיים. לדוגמה, כפי שמראה ספקטרום ה-NMR המסתובב בזווית הקסם של פחמן-13 של תמיסת מיץ vape, גליצרול אב קיים ב-63 ו-73 חלקים למיליון. ככל שהזמן מתקדם ב-130 מעלות צלזיוס בסביבת חמצן, הרעלים חומצה אקרילית וחומצה פורמית עם פורמלדהיד מופיעים ב-175 ו-164 חלקים למיליון בהתאמה.
תוצר החמצון פחמן דו חמצני נצפה ב -125 חלקים למיליון. והכי חשוב, אפילו בטמפרטורות נמוכות כל כך, מיני אצטיל של פורמלדהיד ואצטאלדהיד נצפים בין 50 ל -112 חלקים למיליון. התוספת של גליצרול אב לפורמלדהיד ואצטילאלדהיד מייצרת מיני המי-אצטיל חדשים ב-105 ו-112 חלקים למיליון, הפועלים כנשאי אלדהיד ויכולים לקיים אינטראקציה עצמית ולהתייבש כדי ליצור מיני אצטיל חדשים.
פסגות רבות אחרות בין 50 ל-80 חלקים למיליון תואמות את הסביבות הכימיות הרבות האחרות של המי-אצטילים ואצטילים. בנוסף לעבודה בטוחה, חשוב לשמור על הסביבה בתוך הרוטור במהלך ההעברות, במיוחד בעת הסרת החלק העליון של החדר, מכיוון שמכסה הרוטור עדיין יהיה מחובר. מכיוון שתמ"ג אינו הרסני, ניתן להמשיך באפיונים נוספים, כגון עקיפה של קרני רנטגן, כרומטוגרפיה של גז/ספקטרומטריית מסה וספקטרוסקופיה פוטו-אלקטרונית של קרני רנטגן, המאפשרים השוואה של תוצאות ה-NMR עם מידע משלים על אותה דגימה.
מדידות אלה שהושגו בטמפרטורות ולחצים גבוהים אפשרו לחוקרים לטפל בבעיות מאתגרות בדרך שלא התאפשרה בעבר, על ידי התבוננות במערכות מורכבות בתנאים רלוונטיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה דן ביישום של MAS NMR in situ בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה לניתוח המבנים המולקולריים והדינמיקה של פאזות שונות. שיטה לא-הרסנית זו מאפשרת חקירה של מערכות מורכבות תחת תנאים מבוקרים, ומספקת תובנות בעלות ערך במגוון תחומים מדעיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- גאוכימיה
- ביולוגיה
רקע
- תנאים של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה הם קריטיים לחקר מערכות בעלות פאזה מעורבת.
- טכניקות NMR יכולות לחשוף את הסביבה הכימית של המרכיבים.
- הטבע הרב-גרעיני של NMR מאפשר ניתוח דגימות מגוון.
- סביבות מבוקרות הן חיוניות לבדיקת היפותזות מדעיות.
מטרת המחקר
- לניתוח מערכות מורכבות באמצעות שיטות לא הרסניות.
- לספק תובנות לגבי שאלות מדעיות שונות בתחומי דעת מגוונים.
- לחקור את הדינמיקה של מוצקים, נוזלים, גזים ותערובות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- בדיקת MAS NMR in situ בתנאים של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה.
- הכנת דגימות הכוללת צינורות קוורץ ושסתומי בידוד.
- טכניקות NMR רב-גרעיניות לניתוח דגימות מגוונות.
- הגדרות טמפרטורה ולחץ מבוקרות עבור ניסויים.
תוצאות עיקריות
- גילוי מוצלח של סביבות כימיות במערכות בעלות פאזה מעורבת.
- תובנות לגבי קטוליזה, גאוכמיה ויישומים ביולוגיים.
- הוכחת יעילותו של NMR בתנאים ניסיוניים מיוחדים.
- אספקת מסגרת למחקרים עתידיים בתחומים מדעיים רלוונטיים.
מסקנות
- MAS NMR in situ בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה הוא כלי אנליטי רב עוצמה.
- שיטה זו משפרת את ההבנה של דינמיקה מולקולרית מורכבת.
- היא פותחת נתיבים למחקר במגוון דיסציפלינות מדעיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
MAS NMR בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה in situ מאפשר תצפית ישירה על שינויים מולקולריים בתנאים הרלוונטיים לתהליך, ובכך נותן מענה לפער קריטי בהבנה המכניסטית עבור מו"פ בביופארמה.&ד. יכולת זו תומכת בביטחון חיזויי בתהליך התיקוף של המטרה (target validation) ומפחיתה סיכונים בשלבי הגילוי המוקדמים על ידי חשיפת אינטראקציות כימיות בזמן אמת במערכות מורכבות רב-פאזיות. גמישות השיטה בעבודה עם מוצקים, נוזלים וגזים ממצבת אותה כנכס אנליטי שניתן להשתמש בו שוב עבור מחקרים מכניסטיים של תיקי פיתוח שלמים.
יישומים אסטרטגיים במוכ"ר (R&D) של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה מכניסטית של מסלולים מולקולריים תחת תנאים רלוונטיים פיזיולוגית.
- תומך בתיקוף תפקודי של מטרות על ידי לכידה של תוצרי ביניים חולפים ודינמיקת תגובה.
- מעניק ביטחון חיזוי במחקרים מונחי-היפותזה באמצעות אספקת קריאות בזמן אמת שאינן הרסניות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכות כימיות שעברו תיקוף עבור תהליכי סריקה המשכיים תחת טמפרטורה ולחץ מבוקרים.
- מספק תוצרי NMR כמותיים וניתנים לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות וביצוע benchmarking.
- מאפשר הערכה חסונה של תגובתיות ויציבות של תרכובות במטריצות מורכבות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את התנאים הניסיוניים לסביבות הרלוונטיות למחלה או לתהליך, לצורך המשכיות תרגומית.
- תומכת בהתקדמות מותאמת-סיכונים על ידי הבהרת מסלולים מכניסטיים וחבויות פוטנציאליות.
- מספקת גשר בין תובנות מכניסטיות משלב הגילוי לבין תיקוף במודלים פרה-קליניים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטה זו משלבת שלבים החל מהגילוי המוקדם ועד לזיהוי המולקולה המובילה (lead identification), ובכך היא תומכת בהסרת סיכונים מכניסטיים ובהכנת בדיקות למחקר פרה-קליני.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות והבהרת מסלולים תחת תנאים מבוקרים הרלוונטיים לתהליך.
- סריקה: מספקת נתוני NMR כמותיים הניתנים לשחזור לצורך פיתוח בדיקות והערכת תרכובות.
- אנליזה: מציעה מדידות רב-גרעיניות שאינן תלויות פאזה להשוואת סביבות כימיות ומהלך תגובות.
- מחקר תרגומי: מסייעת להמשכיות על ידי סימולציה של תנאים פיזיולוגיים או תעשייתיים הרלוונטיים למחקרי המשך.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה לשימוש חוזר עבור אתגרים מכניסטיים ואנליטיים מגוונים ברחבי הפורטפוליו.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מעלה את הביטחון החזיוי ומפחיתה עמימות מכניסטית בשלבים מוקדמים של מחקר ופיתוח (R&D)&ד.
- ערך תפעולי: מנחי תהליך של אנליזה לא הרסנית בעלת נאמנות גבוהה (high-fidelity) על פני מגוון של סוגי דגימות ותנאים.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך הפרויקט (go/no-go) ואת יעילות ההון באמצעות הבהרה מוקדמת של מנגנוני התגובה.
- השפעה על תיק העבודות: מאפשר תיעדוף וקידום של מועמדים המותאמים לסיכון, בהתבסס על נתונים מכניסטיים חזקים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בספקטרוסקופיית NMR ובטיפול בדגימות תחת לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה.
- דורש מכשור ייעודי, כולל גששי MAS NMR ורוטורים עמידים בלחץ.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית להכנת דגימות ולפירוש נתונים.
- ניתן להתאמה למגוון רחב של מערכות כימיות, אך מוגבל על ידי תאימות הרוטור והגשש.
- שמירה על שלמות סביבת הדגימה במהלך ההעברות היא קריטית להשגת הדירות (reproducibility).
