Sviluppo Tecnologico della Strumentazione NMR e la Problematica Legata alla Sicurezza. Mariano Casu

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1 Sviluppo Tecnologico della Strumentazione NMR e la Problematica Legata alla Sicurezza Mariano Casu

2 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

3 Breve storia della scoperta e sviluppo della tecnologia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) 1936: Il primo esperimento 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.

4 : 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). Nel 1952, Bloch e Purcell, furono congiuntamente insigniti del premio Nobel per la Fisica. Felix Bloch Edward Purcell

5 : 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

6 : L inizio dell interesse dei chimici verso NMR I ricercatori hanno cominciato a chiedersi se questa nuova tecnica potesse essere di interesse per la chimica. Il chimico Linus Pauling suggerì che la NMR potesse essere utilizzata nella ricerca in chimica organica

7 : Inizio dell interesse dei chimici verso NMR Nel 1951, Il primo spettro 1 H NMR dell etanolo venne osservato. 1 H NMR 40 MHz (0.94 Tesla) dell etanolo. Fotografia dello spettro dell etanolo, osservato attraverso un oscilloscopio. 300 MHz (7.05 Tesla) 1 H NMR dell etanolo. 7

8 : Miglioramento degli esperimenti NMR Introduzione delle tecniche a onda continua (CW) e a impulsi. CW NMR è stato applicato ampiamente in chimica organica per tanti anni.. CW - Varian A-60 era lo strumento ad alta risoluzione di maggior successo commerciale.

9 : Miglioramento degli esperimenti NMR Nel 1966 Ernst e Anderson hanno pubblicato i risultati del loro lavoro per eseguire una trasformata di Fourier sui dati FID. 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. Magnete Varian 100 MHz. Il magnete veniva raffreddato ad acqua attraverso tubi in PVC.

10 : Miglioramento nella metodologia NMR: magneti superconduttori e trasformata di fourier L'apparecchiatura NMR era basata su elettromagneti. Purtroppo, il limite superiore di questi magneti è di circa 2 Tesla (100-MHz 1 H NMR). 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.

11 : Miglioramento nella metodologia NMR: magneti superconduttori e trasformata di fourier I superconduttori funzionano a temperature criogeniche 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) Il primo magnete superconduttore. Spettrometro NMR Varian HR-200

12 : Inizio dell interesse dei Biologi verso NMR Osservazione dei primi segnali NMR di biopolimeri e macromolecole 1984 La prima struttura proteica determinata via NMR >10000 strutture proteiche residue protein proteinase inhibitor IIA from bull seminal plasma

13 : Inizio dell interesse dei Biologi verso NMR Sviluppo del NMR in vivo. Studi metabolici su animali vivi sono stati effettuati utilizzando i segnali 31 P di costituenti intracellulari come ATP, ADP, fosfocreatina, e altri fosfati biologici. Usando composti arricchiti di 13 C o sostituiti con 19 F, è stato possibile effettuare studi sul metabolismo dei farmaci o disturbi enzimatici. NH 2 O - O - O - O P P O O O O - O P O O N N N N HO OH P O H N C NH CH 3 N CH 2 CO 2 H HO OH

14 : Inizio dell interesse della Medicina 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 In 1984, J. Nicholson mostrò che la spettroscopia 1 H NMR poteva potenzialmente essere usata per la diagnosi del diabete mellito. Nel 2003, Paul Lauterbur and Peter Mansfield furono insigniti del premio Nobel in fisiologia e medicina. Paul Lauterbur Peter Mansfield

15 Magneti Superconduttori Un forte campo magnetico portano a risoluzioni più elevate e tempi di acquisizione più veloci. Bassa risoluzione Alte concentrazioni Alta risoluzione Basse concentrazioni July 2, MHz (24.0 T) Japan's National Institute for Materials Science

16 Linee di forza del campo magnetico 5 Gauss 1.3 m 5 Gauss 3.2 m 5 Gauss 1.7 m 6 m 6 m 6 m 3 m 3 m 3 m 3 m 6 m 3 m 6 m 3 m 6 m 7.04 Tesla (300 MHz) 11.7 Tesla (500 MHz) Tesla (600 MHz) Magneti non schermati Magnete schermato

17 Breve storia del laboratorio NMR a Cagliari Anni MHz CW elettromagnete Anni MHz CW elettromagnete (Farmacia) Anni MHz CW elettromagnete (Chimica Organica) : 80 MHz FT-NMR elettromagnete Laboratorio NMR - Piano terra del Palazzo delle Scienze

18 1989/ MHz FT-NMR Magnete superconduttore Laboratorio NMR - Piano terra del Palazzo delle Scienze

19 MHz FT-NMR Magnete superconduttore Il primo laboratorio a Monserrato 1995/6 Trasferimento del 80 MHz e 300 MHz a Monserrato

20 Dismissione del 80 MHz e 300 MHz Acquisizione di due strumenti a 500 MHz FT-NMR

21 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

22 Laboratorio NMR Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche Console Console 5 Gauss 3.5 m Console 400 MHz 500 MHz 500 MHz 5 Gauss 1.8 m Bancone Lab. chimico Cappa Studio

23 Laboratorio NMR ~ 800 m 3 I magneti contengono liquidi criogenici Elio 130 litri x magnete Azoto 100 litri x magnete 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. Quench del superconduttore Consumo dell elio

24 Campi Magnetici Bobina Manopole sintonia Sintonia del probe e inserimento del campione ~5000 Gauss 0.5 Tesla 24

25 Campi Magnetici Probe stato solido Cambio probe e pulizia upper barrel

26 Connessione tra tecnologia e sicurezza Laboratorio NMR del CeSAR MHz (14 T) 0.7 m 26

27 Nessuna sintonia Carosello Automatizzato Nessun inserimento dei campioni in presenza dei campi magnetici

28 Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia Riciclo del Azoto 28

29 Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia Magneti senza Azoto liquido 29

30 Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia Riciclo dell elio liquido 30