Sviluppo Tecnologico della Strumentazione NMR e la … · 2016-03-05 · Breve storia della...
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Sviluppo Tecnologico della Strumentazione NMR e la Problematica Legata alla
Sicurezza
Mariano Casu
Punti Principali
1. Breve storia della scoperta e sviluppo della
tecnologia di Risonanza Magnetica Nucleare
(NMR);
2. Utilizzo della Risonanza Magnetica Nucleare in
Chimica, Biologia e Medicina
3. Breve storia del laboratorio di Risonanza
Magnetica Nucleare a Cagliari
4. Il laboratorio di Risonanza Magnetica Nucleare a
Monserrato.
5. Connessione tra tecnologia e sicurezza
1936: Il primo esperimento NMR
Breve storia della scoperta e sviluppo della tecnologia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Il Fisico Tedesco Cornelius Gorter fu il primo ricercatore a fare
l'esperimento NMR. Gorter non ha avuto successo nel suo
tentativo di misurare l'effetto sulla temperatura dovuta
all’assorbimento della radiazione su un sale di Litio.
1946 - 55: I primi esperimenti NMR • Nel 1946, Felix Bloch, Stanford University, ed Edward Purcell,
Università di Harvard, hanno rilevato il segnale di assorbimento
magnetico dei protoni dell’acqua e della paraffina. I risultati
vennero pubblicati in Physical Reviews, vol. 69 (1946).
Felix Bloch Edward Purcell
• Nel 1952, Bloch e Purcell, furono congiuntamente insigniti
del premio Nobel per la Fisica.
1946 - 55: I primi esperimenti NMR
L'interesse iniziale dei fisici sulle misure NMR era
limitata allo studio fisico di alcune costanti nucleari. Il
rapporto giromagnetico, , e lo spin nucleare, I.
Dopo successive prove è cominciato ad emergere che
queste "costanti" fondamentali non sembravano
veramente costanti ma sembrava che dipendessero
dalla natura del campione utilizzato per la misura.
I fisici cominciarono a perdere interesse per
questa nuova tecnica
I ricercatori hanno cominciato a chiedersi se questa
nuova tecnica potesse essere di interesse per la chimica.
1946 - 55: L’inizio dell’interesse dei chimici verso NMR
Il chimico Linus Pauling suggerì che la NMR potesse
essere utilizzata nella ricerca in chimica organica
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1946 - 55: Inizio dell’interesse dei chimici verso NMR
•Nel 1951, Il primo spettro 1H NMR dell’etanolo venne osservato.
1H NMR 40 MHz (0.94 Tesla)
dell’etanolo.
Fotografia dello spettro
dell’etanolo, osservato
attraverso un oscilloscopio.
300 MHz (7.05 Tesla) 1H NMR dell’etanolo.
.
• Introduzione delle tecniche a onda continua (CW) e a impulsi.
• CW NMR è stato applicato ampiamente in chimica organica per
tanti anni.
1946 - 55: Miglioramento degli esperimenti NMR
CW - Varian A-60 era lo strumento
ad alta risoluzione di maggior
successo commerciale.
Nel 1966 Ernst e Anderson hanno pubblicato i risultati del loro
lavoro per eseguire una trasformata di Fourier sui dati FID.
Magnete Varian 100 MHz.
Il magnete veniva raffreddato ad
acqua attraverso tubi in PVC.
I due ricercatori impiegarono due minicomputer per generare i nastri
che potessero essere elaborati da computer più grandi. I risultati
sono stati molto innovativi.
CW-NMR è stato rapidamente eliminato a favore della trasformata
di Fourier.
1966-75: Miglioramento degli esperimenti NMR
L'apparecchiatura NMR era basata su elettromagneti.
Purtroppo, il limite superiore di questi magneti è di circa 2
Tesla (100-MHz 1H NMR).
1966 - 75: Miglioramento nella metodologia NMR: magneti superconduttori e trasformata di fourier
Sensibiltà e Risoluzione aumentano col campo Magnetico
Lo sviluppo di magneti superconduttori hanno permesso lo
sviluppo di campi magnetici in strumenti commerciali ad alti
campi 6.3 T (270 MHz).
L’utilizzo del FT-NMR è stato reso possibile dal rapido
aumento delle potenza dei computer e dell'elettronica.
Per raggiungere tali temperature, la bobina superconduttore doveva
essere immerso in un dewar contenente elio liquido (4 K) il quale a
sua volta inserito in una dewar contenente azoto liquido (77 K).
1964. Il primo magnete superconduttore.
Spettrometro NMR Varian HR-200
1966 - 75: Miglioramento nella metodologia NMR: magneti superconduttori e trasformata di fourier
I superconduttori funzionano a temperature criogeniche
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1976-85: Inizio dell’interesse dei Biologi verso NMR
Osservazione dei primi segnali NMR di biopolimeri e
macromolecole
1984
La prima struttura proteica
determinata via NMR.
57-residue protein proteinase inhibitor IIA from bull seminal plasma
2015
>10000 strutture proteiche
Sviluppo del NMR in vivo.
Studi metabolici su animali vivi sono stati effettuati utilizzando i
segnali 31P di costituenti intracellulari come ATP, ADP,
fosfocreatina, e altri fosfati biologici.
Usando composti arricchiti di 13C o sostituiti con 19F, è stato
possibile effettuare studi sul metabolismo dei farmaci o disturbi
enzimatici.
P
O
O
O
HO
N
NN
N
NH2
OP
OPO-
O
O- O-
O
O-
OH
HO
PN
CN
CH2
O
OH
NH
CH3
CO2H
H
1976 - 85: Inizio dell’interesse dei Biologi verso NMR
1980: Vengono proposti i primi strumenti di Risonanza Magnetica per
Immagini (MRI). MRI si basa sull'analisi dell'acqua negli organismi
biologici. Questi segnali vengono elaborati per mostrare un'immagine
Paul Lauterbur
1976 - 85: Inizio dell’interesse della Medicina verso NMR
Nel 2003, Paul Lauterbur and Peter Mansfield furono insigniti del
premio Nobel in fisiologia e medicina.
In 1984, J. Nicholson mostrò che la spettroscopia 1H NMR poteva
potenzialmente essere usata per la diagnosi del diabete mellito.
Peter Mansfield
Magneti Superconduttori
Un forte campo magnetico portano a risoluzioni più elevate e tempi
di acquisizione più veloci.
Alta risoluzione
Basse concentrazioni
Bassa risoluzione
Alte concentrazioni
July 2, 2015 1020 MHz (24.0 T)
Japan's National Institute for Materials Science
7.04 Tesla (300 MHz) 11.7 Tesla (500 MHz) 14.09 Tesla (600 MHz)
Magneti non schermati Magnete schermato
5 Gauss 1.3 m 5 Gauss 3.2 m 5 Gauss 1.7 m
6 m
6 m 6 m
6 m 6 m 6 m
3 m 3 m
3 m
3 m
3 m 3 m
Linee di forza del campo magnetico
Breve storia del laboratorio NMR a Cagliari
Anni 70 - 100 MHz CW elettromagnete
1980-1990: 80 MHz FT-NMR
elettromagnete
Laboratorio NMR - Piano
terra del Palazzo delle Scienze
Anni 80 – 60 MHz CW elettromagnete (Farmacia)
Anni 80 – 60 MHz CW elettromagnete (Chimica Organica)
1989/90 - 300 MHz FT-NMR
Magnete superconduttore
Laboratorio NMR - Piano
terra del Palazzo delle Scienze
1995 - 400 MHz FT-NMR Magnete superconduttore Il primo laboratorio a Monserrato
1995/6 – Trasferimento del 80 MHz e 300 MHz a Monserrato
2000 - 2012 – Dismissione del 80 MHz e 300 MHz
Acquisizione di due strumenti a 500 MHz FT-NMR
Laboratorio di NMR inter-dipartimentale - Monserrato
Più di 30 Ricercatori utilizzano il laboratorio:
Chimica, Farmacia, Tossicologia, Biologia, Geologia, Medicina
Il laboratorio è aperto a tutti i ricercatori, dottorandi, studenti,
Assegnisti, Borsisti, …. Purchè siano stati correttamente
informati e istruiti
Lab. chimico
Studio
5 Gauss 1.8 m
Laboratorio NMR Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
400 MHz 500 MHz
500 MHz
Bancone Cappa
Conso
le
Conso
le Console
5 Gauss 3.5 m
I magneti contengono liquidi criogenici
Elio 130 litri x magnete
Azoto 100 litri x magnete
Laboratorio NMR ~ 800 m3
Quench del superconduttore
Consumo dell’elio
Il rapporto di espansione di elio liquido a temperatura ambiente
è di circa 740: 1,
I rischi principali quando si maneggiano i criogenici o avviene
un quech sono le ustioni e l’asfissia.
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Campi Magnetici
Sintonia del probe e
inserimento del campione
~5000 Gauss
0.5 Tesla
Manopole sintonia
Bobina
Campi Magnetici
Probe stato solido
Cambio probe e pulizia
upper barrel
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Laboratorio NMR del CeSAR - 600 MHz (14 T)
Connessione tra tecnologia e sicurezza
0.7 m
Nessuna sintonia
Nessun inserimento dei campioni
in presenza dei campi magnetici
Carosello Automatizzato
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Riciclo del Azoto
Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia
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Magneti senza Azoto liquido
Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia
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Riciclo dell’elio liquido
Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia