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

7

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

12

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

30

Riciclo dell’elio liquido

Futuro: miglioramento della tecnologia e della metodologia