CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

El análisis químico a menudo se siente como una carrera contra el tiempo, especialmente cuando los científicos necesitan comprender la composición de cientos o miles de muestras diferentes. Una de las herramientas más poderosas para este trabajo es la resonancia magnética nuclear, una técnica que utiliza campos magnéticos fuertes y ondas de radio para revelar la estructura precisa de las moléculas. Es un método suave que no destruye la muestra, lo que permite a los investigadores ver exactamente cómo están dispuestos los átomos y cómo interactúan. Sin embargo, la forma tradicional de utilizar esta tecnología es lenta. Las máquinas estándar están diseñadas para observar una muestra a la vez, e incluso cuando pueden observar múltiples muestras, el equipo necesario para escucharlas todas simultáneamente se vuelve voluminoso, costoso y enredado con un caos de cables. Este cuello de botella limita la rapidez con la que los científicos pueden evaluar nuevos fármacos o estudiar mezclas biológicas complejas, creando la necesidad urgente de una forma de acelerar el proceso sin sacrificar la calidad de los datos.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania ha desarrollado un nuevo enfoque para resolver este problema mediante la reducción de la compleja electrónica necesaria para la detección en paralelo en un diminuto chip informático. Su trabajo se centra en un método llamado multiplexación, que permite que múltiples señales de radio viajen por un solo cable al mismoamente sin interferir entre sí. Para probar esta idea, construyeron un chip personalizado utilizando tecnología de fabricación de silicio estándar, que mide apenas 3 milímetros por 4 milímetros. Este pequeño dispositivo actúa como un controlador de tráfico para las ondas de radio, tomando las señales de cuatro detectores de muestras diferentes y combinándolas en un único flujo que puede enviarse a un ordenador para su análisis. Al hacer esto, eliminaron la necesidad de cuatro puertos receptores separados y el pesado haz de cables que normalmente conecta los equipos, reduciendo efectivamente el costo y la complejidad del hardware en un factor de cuatro.

Los investigadores pusieron a prueba su sistema en dos escenarios diferentes para ver si podía manejar condiciones del mundo real. En el primer experimento, utilizaron una sonda especializada que contenía cuatro detectores separados, cada uno con una muestra líquida diferente. Dos de los detectores estaban sintonizados para escuchar átomos de hidrógeno, mientras que los otros dos escuchaban átomos de flúor. Colocaron esta sonda dentro de un imán potente y pasaron las muestras por el sistema. Sin su nuevo chip, la máquina habría necesitado cuatro cables separados para enviar los datos al ordenador. En su lugar, el chip combinó todas las cuatro señales en un solo cable. Los resultados mostraron que el sistema funcionó notablemente bien. El ordenador fue capaz de separar las señales nuevamente y producir espectros claros para las cuatro muestras simultáneamente. Aunque hubo una ligera caída en la claridad de la señal para algunos canales, que oscilaba entre aproximadamente un 8 por ciento y un 32 por ciento, los investigadores descubrieron que simplemente repetir la medición y promediar los resultados podía restaurar la calidad. Cuando promediaron 32 escaneos, la calidad de la señal mejoró por un factor de más de cinco, alcanzando casi el límite teórico esperado para tal proceso.

Para demostrar aún más la flexibilidad de su diseño, el equipo llevó a cabo un segundo experimento utilizando una sonda diferente que contenía una sola muestra pero incluía dos bobinas sintonizadas a diferentes tipos de átomos: hidrógeno y carbono. Esta configuración les permitió probar si el chip podía manejar señales de diferentes elementos al mismo tiempo. Realizaron el experimento en un imán ligeramente más pequeño y, nuevamente, combinaron las dos señales en un solo cable. Los resultados confirmaron que el chip podía gestionar con éxito las señales de diferentes núcleos atómicos, a pesar de que estos vibran a frecuencias muy diferentes. La calidad de la señal se mantuvo alta, con una pérdida de claridad mínima para la señal de hidrógeno y una pérdida casi imperceptible para la de carbono. Al promediar 16 escaneos, recuperaron nuevamente la fuerza de la señal casi por completo, demostrando que el sistema es lo suficientemente estable para experimentos de larga duración.

Una de las ventajas más significativas de este nuevo método es cómo ahorra tiempo. En una configuración tradicional, si un científico quisiera realizar 32 mediciones en cuatro muestras diferentes, tendría que esperar a que la máquina termine una muestra, luego la siguiente, y así sucesivamente, repitiendo el proceso cuatro veces. Con el sistema multiplexado, las cuatro muestras se miden al mismo tiempo durante esos 32 ciclos. Esto significa que el tiempo total requerido para el experimento se reduce en un factor de cuatro, una ganancia masiva para el trabajo de alto rendimiento como el descubrimiento de fármacos. Los investigadores también demostraron que el sistema podía manejar secuencias de pulsos complejas, como las utilizadas para medir cuánto tiempo tarda una señal en volver a su estado de reposo, sin perder estabilidad. Incluso demostraron que podían utilizar software para limpiar cualquier interferencia menor entre los canales, asegurando que los datos de una muestra no se filtraran en los datos de otra.

El éxito de este trabajo sugiere que el futuro de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear podría implicar matrices de detectores mucho más densas empaquetadas en espacios más pequeños. Debido a que el chip es tan pequeño e integra tantas funciones, puede colocarse muy cerca de la muestra, reduciendo la pérdida de señal que suele ocurrir cuando la electricidad viaja a través de cables largos. Los investigadores señalaron que, aunque su chip actual fue fabricado mediante un proceso de fabricación estándar, las versiones futuras podrían fabricarse con características aún más pequeñas, permitiendo empaquetar incluso más canales en un solo dispositivo. Esto podría conducir eventualmente a espectrómetros que puedan analizar docenas de muestras a la vez, transformando la forma en que los científicos abordan el cribado químico a gran escala. El estudio confirma que es posible superar las limitaciones tradicionales de los sistemas voluminosos de múltiples cables, ofreciendo un camino práctico hacia un análisis químico más rápido, más eficiente y más económico.