Magnetyczny rezonans jądrowy o wysokiej czułości przy ciśnieniu giga-paskalowym: nowe narzędzie do badania właściwości elektronicznych i chemicznych materii skondensowanej w ekstremalnych warunkach
10 października 2014
Magnetyczny rezonans jądrowy jest jednym z najważniejszych narzędzi spektroskopowych. W tym artykule przedstawiono opracowanie nowego podejścia pod wysokim ciśnieniem, obecnie do 10,1 GPa. Otwiera to nowe okno na fizykę i chemię materii skondensowanej, w której badania nad wysokimi ciśnieniami mają ogromne znaczenie.
Ogólnym celem tej procedury jest przeprowadzenie eksperymentów magnetycznego rezonansu jądrowego o wysokiej rozdzielczości w wysokociśnieniowych komórkach kowadełkowych. Osiąga się to poprzez przygotowanie najpierw mikrocewki o częstotliwości radiowej o kilku zwojach z drutu miedzianego o grubości 18 mikrometrów. Drugim krokiem jest umieszczenie mikrocewki bezpośrednio w środku wnęki na próbkę pod wysokim ciśnieniem i podłączenie jej do gorącego przewodu i wykonanie uziemienia elektrycznego.
Następnie komórka kowadełka jest wypełniana rubinowymi czujnikami ciśnienia próbki i mediami przenoszącymi ciśnienie. Ostatnim krokiem jest zwiększenie ciśnienia w komorze kowadełka poprzez dokręcenie czterech aluminiowych. Ostatecznie ogniwo kowadełkowe może być zamontowane na standardowej sondzie magnetycznego rezonansu jądrowego lub sondzie NMR, co pozwala na dostrojenie częstotliwości i dopasowanie impedancji.
Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak dzielone cewki niedźwiedzia lub pojedyncza pętla rezonująca z komórkami ciśnieniowymi, jest to, że w naszym podejściu współczynnik wypełnienia naszej cewki detekcyjnej może zostać znacznie zwiększony, co pozwala na wysoką czułość i dom komórek r i n. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu metafizyki skondensowanej, w szczególności fizyki ciała stałego oraz przykładów takich jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe. Najpierw zamocuj tłok i płytkę XY w narzędziach montażowych i włóż anile typu melonik w miejsce siedzenia.
Po upewnieniu się, że każdy anil jest mocno osadzony w płytach nośnych, przyklej oba kowadła do ich gniazd, utwardzając żywicą epoksydową przez dwie godziny w temperaturze 65 stopni Celsjusza w piecu lub przy wystarczającym wyrównaniu kowadła. Użyj dociskowych M1, aby wyrównać płyty nośne i monitorować równoległość obu kowadeł. Następnie wywierć jednomilimetrowe otwory w chipie anil copper beryl.
W przypadku mosiężnych kołków prowadzących włóż trzy pięciomilimetrowe kawałki nieizolowanego drutu miedzianego o średnicy jednego milimetra do otworów, które posłużą jako kołki prowadzące dla miedzianej uszczelki berylowej. Sprawdź, czy między kołkami prowadzącymi a korpusem ogniwa jest prawidłowe uziemienie. Jeśli rezystancja DC około 0,1 oma nie zostanie zaobserwowana przy niewielkiej ilości przewodzącego srebra, aby poprawić rezystancję, po tym umieść miedziany chip berylowy na wierzchu wilgotnego kowadła i zamknij ogniwo.
Za pomocą prasy hydraulicznej zwiększyć ciśnienie w uszczelce do około jednej ósmej średnicy stłuczki szklanej. Aby uzyskać maksymalną stabilność pracy, monitoruj rzeczywistą grubość wgłębienia za pomocą suwmiarki mikrometrycznej. Następnie wywierć otwór o odpowiedniej średnicy w środku wgłębienia.
Wytnij dwa kanały w wstępnie wciętej uszczelce, pogłębij, aby pomieścić drut miedziany o grubości 18 mikrometrów mikrocewki. Następnie przygotowaną uszczelkę utwardzać w temperaturze 617 kelwinów przez dwie do trzech godzin w piecu. W tym momencie przerzuć kawałek jednomilimetrowego drutu miedzianego przez przepust tłoka.
Przymocuj drut miedziany żywicą epoksydową i utwardź go zgodnie z wcześniejszym opisem. Po wybraniu wszystkiego, co ma pożądaną średnicę mikrocewki, zamocuj ją między parą obrotowych szczęk uchwytu. Następnie przyklej jeden koniec drutu miedzianego o grubości 18 mikrometrów do szczęk uchwytu, trzymając drugi koniec i obróć szczękę uchwytu tak, aby drut był zwinięty na olej.
Gdy mikrocewka ma pożądaną geometrię, przymocuj drugi koniec drutu do kleju. Użyj rozcieńczonego lakieru, aby zamocować cewkę, nakładając niewielką ilość na uzwojenia. Następnie ostrożnie wyjmij cewkę z oleju za pomocą taśmy teflonowej.
Następnie połóż trochę żywicy epoksydowej w kanałach uszczelki. Umieść mikrocewkę w komorze na próbkę i zamocuj przewody w kanałach. Po utwardzeniu żywicy epoksydowej sprzedano jeden przewód mikrocewki do gorącego drutu, a drugi do kołka prowadzącego.
Dodaj trochę srebrnej pasty przewodzącej na wierzch każdego złącza, pozwalając mu utwardzić się przez kilka minut. Po utwardzeniu srebrnej pasty przewodzącej uszczelnij oba połączenia niewielką ilością żywicy epoksydowej. Po utwardzeniu żywicy epoksydowej sprawdź rezystancję DC cewki.
Po każdym kroku umieść próbkę w mikrocewce, dodaj drobno zmielony proszek rubinowy do próbki w celu kalibracji ciśnienia. Na koniec zalej komorę próbki olejem parafinowym, aby zapewnić warunki prawie hydrostatyczne do dziewięciu gigapaskalów. Następnie ostrożnie zamknij komórkę.
Następnie lekko dokręć trzy z stożkowym imbusowym M w celu zwiększenia ciśnienia. Zamocuj ogniwo w imadle, a następnie dokręć dwie przeciwległe. Umieść parami ogniwo pod ciśnieniem w odpowiednim uchwycie na ogniwa.
Dostosuj położenie celi tak, aby wiązka lasera docierała do komory próbki. Następnie użyj stołu do precyzyjnej regulacji, aby skupić proszek rubinowy w wiązce laserowej. Monitoruj widmo luminescencji zdjęć rubinowych za pomocą odpowiedniego oprogramowania spektrometru.
Wyodrębnij rzeczywiste ciśnienie we wnęce próbki z obserwowanego przesunięcia widmowego jednej i dwóch linii rubinowej R. Po wyrównaniu ciśnienia w komórce ciśnieniowej prądem przemiennym przez co najmniej 12 godzin, zamontuj ją na typowej sondzie NMR. Sprzedałem gorący drut do sondy.
Następnie sprawdź, czy kontakt elektryczny między ogniwem a sondą jest prawidłowy. Następnie wykonaj standardowe eksperymenty NMR. Pokazano tutaj 27 aluminiowych widm NMR uzyskanych pod ciśnieniem do 10,1 giga pascala.
Obserwowane całkowite szerokości wapna wzrosły z około 77 części na milion do 145 części na milion. Przy tym zarejestrowanym ciśnieniu zanik indukcji swobodnej w polach magnetycznych 11,74 Tesli 17,6 Tesli, a różnica między nimi jest pokazana tutaj, uzyskane echa spinowe przy podwyższonym ciśnieniu dla różnych czasów separacji impulsów są pokazane tutaj. Obserwowany 17 tlenu w widmie masowym nadprzewodnika wysokotemperaturowego, tlenku itru i baru i miedzi, 1 2 4 8 o natężeniu 6,3 giga paskali i 110 kelwinach, ma obserwowaną szerokość linii około 1 500 części na milion granicy.
Wyraźne sygnały tlenowe można było zidentyfikować nawet przy wyższych ciśnieniach i temperaturach od 105 do 110 kelwinów. Przedstawiono tutaj typowe widma galu NMR o temperaturze pokojowej i ciśnieniu 1,8 giga paskala. Typowy wynik eksperymentu z mutacją o różnej długości impulsu jest pokazany tutaj.
W tym miejscu przedstawiono zależność obserwowanych intensywności sygnałów uzyskanych w eksperymencie odzyskiwania połówki inwersji PII lub rosnących czasów separacji impulsów. Po opanowaniu samodzielne przygotowanie można wykonać w ciągu 12 godzin, jeśli zostanie wykonane prawidłowo. Cóż, przy takiej procedurze ważne jest, aby wiedzieć, że musisz mieć do dyspozycji dobrego, praktycznego absolwenta.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia nowatorskie podejście do przeprowadzania eksperymentów wysokorozdzielczego magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) pod wysokim ciśnieniem, osiągającym wartości do 10.1 GPa. Postęp ten ma istotne znaczenie dla fizyki materii skondensowanej oraz chemii, w których badania pod wysokim ciśnieniem odgrywają kluczową rolę.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Magnetyczny Rezonans Jądrowy
- Fizyka Materii Skondensowanej
- Chemia
Wstęp
- Rezonans magnetyczny jądra jest kluczowym narzędziem spektroskopowym.
- Badania pod wysokim ciśnieniem są niezbędne w różnych dziedzinach nauki.
- Postępy w technikach NMR mogą prowadzić do nowych odkryć.
- Niniejsze badanie koncentruje się na zwiększeniu możliwości NMR w ekstremalnych warunkach.
Cel badania
- Opracowanie metody wysokorozdzielczego NMR w środowiskach wysokociśnieniowych.
- Zbadanie wpływu wysokociśnieniowego NMR na badania naukowe.
- Przedstawienie szczegółowej procedury wdrażania tej techniki.
Zastosowane metody
- Przygotowanie mikrocewki wysokiej częstotliwości z drutu miedzianego.
- Umieszczenie mikrocewki w komorze próbki wysokociśnieniowej.
- Podłączenie mikrocewki do komponentów elektrycznych.
- Wytworzenie ciśnienia w komorze kowadłowej za pomocą śrub imbusowych.
Główne wyniki
- Skuteczna implementacja wysokorozdzielczego NMR w warunkach wysokiego ciśnienia.
- Wykazanie możliwości zastosowania ogniw kowadełkowych w spektroskopii NMR.
- Potencjał do uzyskania nowych informacji w dziedzinie fizyki i chemii materii skondensowanej.
- Ustanowienie protokołu dla przyszłych badań NMR pod wysokim ciśnieniem.
Wnioski
- Niniejsze badanie otwiera nowe możliwości dla badań wysokociśnieniowych z wykorzystaniem NMR.
- Opracowana metoda może pogłębić naszą wiedzę na temat materiałów w ekstremalnych warunkach.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej technice w celu zgłębienia różnych zagadnień naukowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Wysokoczuły spektroskop NMR przy ciśnieniach rzędu GPa umożliwia bezpośrednie badanie właściwości elektronicznych i chemicznych w układach materii skondensowanej w ekstremalnych warunkach, wypełniając tym samym krytyczną lukę w charakterystyce materiałów na etapie odkryć. Możliwość ta wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego oraz zwiększa pewność prognostyczną zespołów biofarmaceutycznych badających zachowanie, stabilność i reaktywność molekuł pod wpływem stresorów istotnych fizjologicznie lub przemysłowo. Integracja NMR wysokociśnieniowego z procesami B+R usprawnia walidację celów i dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji portfelowych skorygowanych o ryzyko w przypadku nowych materiałów i rusztowań molekularnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia analizę struktury molekularnej i przejść elektronowych pod wpływem ekstremalnego ciśnienia, co wspiera testowanie hipotez mechanistycznych.
- Ułatwia walidację funkcjonalną celów poprzez ujawnianie indukowanych ciśnieniem zmian konformacyjnych lub elektronowych.
- Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie stabilności i reaktywności molekularnej podczas wczesnego etapu selekcji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane układy wysokociśnieniowe do późniejszego przesiewania wpływu związków na właściwości molekularne.
- Zapewnia powtarzalność testów i ilościowe odczyty dzięki zastosowaniu detekcji o wysokiej czułości w małych objętościach próbek.
- Umożliwia skalowalną adaptację testów opartych na NMR w badaniu zjawisk zależnych od ciśnienia.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne ze strategiami dotyczącymi biomarkerów translacyjnych poprzez charakteryzację odpowiedzi molekularnych na stresory istotne dla środowisk chorobowych lub formulacyjnych.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną, umożliwiając bezpośrednią obserwację zmian strukturalnych pod wpływem ciśnień istotnych fizjologicznie.
- Wspiera postępy skorygowane o ryzyko poprzez wyjaśnienie mechanistycznych wad zależnych od ciśnienia.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda NMR wysokociśnieniowego łączy wczesne etapy odkrywania, przesiewania i badań translacyjnych, umożliwiając bezpośredni pomiar właściwości molekularnych i elektronicznych w ekstremalnych warunkach.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków sygnałowych poprzez ujawnianie zmian molekularnych indukowanych ciśnieniem.
- Screening: Dostarcza ilościowych, powtarzalnych wyników do oceny związków w środowiskach wysokiego ciśnienia.
- Analityka: Zapewnia wysokorozdzielcze dane spektralne i pomiary ilościowe do analizy porównawczej w różnych warunkach.
- Badania translacyjne: Ułatwia dopasowanie biomarkerów i zachowanie ciągłości mechanistycznej od modeli in vitro do modeli przedklinicznych poddanych stresowi.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do badań NMR pod wysokim ciśnieniem w różnych systemach molekularnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w charakteryzacji molekularnej.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przepływy pracy w wysokociśnieniowym NMR w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) i redukuje ryzyko na późnych etapach poprzez wyjaśnienie zachowania molekuł zależnego od ciśnienia.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów i rusztowań z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o solidne dane mechanistyczne.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie spektroskopii NMR oraz obsługi aparatury wysokociśnieniowej.
- Wymaga specjalistycznego sprzętu w postaci komór kowadeł oraz możliwości wykonania mikrocewek.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie przygotowania próbek i kalibracji ciśnienia.
- Adaptacja do różnych układów molekularnych może wymagać optymalizacji geometrii cewki oraz mediów transmisyjnych ciśnienia.
- Ograniczenia objętości próbki oraz stopień złożoności technicznej mogą ograniczać przepustowość analiz.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:28
Mounting and Aligning of the 6H-SiC Large Cone Boehler-type Anvils
2:06
Gasket Preparation
3:27
Preparing and Loading of the Micro-coil
5:26
Applying and Monitoring Pressure and Performing NMR Experiments
6:37
Results: High-Sensitivity NMR Analysis at High Pressures
8:13
Conclusion
