CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

L'analisi chimica spesso sembra una corsa contro il tempo, specialmente quando gli scienziati devono comprendere la composione di centinaia o migliaia di campioni diversi. Uno degli strumenti più potenti per questo compito è la risonanza magnetica nucleare, una tecnica che utilizza forti campi magnetici e onde radio per rivelare la precisa struttura delle molecole. È un metodo delicato che non distrugge il campione, permettendo ai ricercatori di vedere esattamente come sono disposti gli atomi e come interagiscono tra loro. Tuttavia, il modo tradizionale di utilizzare questa tecnologia è lento. Le macchine standard sono progettate per esaminare un campione alla volta e, anche quando possono esaminare più campioni, l'attrezzatura necessaria per ascoltarli tutti simultaneamente diventa ingombrante, costosa e aggrovigliata in un groviglio di cavi. Questo collo di bottiglia limita la velocità con cui gli scienziati possono esaminare nuovi farmaci o studiare miscele biologiche complesse, creando la necessità urgente di un modo per accelerare il processo senza sacrificare la qualità dei dati.

Un team di ricercatori presso l'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe, in Germania, ha sviluppato un nuovo approccio per risolvere questo problema, rimpicciolendo la complessa elettronica necessaria per il rilevamento parallelo in un minuscolo chip per computer. Il loro lavoro si concentra su un metodo chiamato multiplexing, che consente a più segnali radio di viaggiare lungo un singolo cavo contemporaneamente senza interferire tra loro. Per testare questa idea, hanno costruito un chip personalizzato utilizzando la tecnologia di produzione standard del silicio, grande appena 3 millimetri per 4 millimetri. Questo piccolo dispositivo agisce come un controllore del traffico per le onde radio, prendendo i segnali da quattro diversi rilevatori di campioni e combinandoli in un unico flusso che può essere inviato a un computer per l'analisi. Facendo così, hanno eliminato la necessità di quattro porte riceventi separate e il pesante fascio di cavi che solitamente collega i componenti, riducendo efficacemente la complessità e il costo dell'hardware di un fattore quattro.

I ricercatori hanno messo alla prova il loro sistema in due diversi scenari per vedere se potesse gestire condizioni del mondo reale. Nel primo esperimento, hanno utilizzato una sonda specializzata contenente quattro rilevatori separati, ognuno dei quali conteneva un campione liquido diverso. Due dei rilevatori erano sintonizzati per ascoltare gli atomi di idrogeno, mentre gli altri due ascoltavano gli atomi di fluoro. Hanno inserito questa sonda all'interno di un potente magnete e hanno fatto passare i campioni attraverso il sistema. Senza il loro nuovo chip, la macchina avrebbe avuto bisogno di quattro cavi separati per inviare i dati al computer. Invece, il chip ha combinato tutti i quattro segnali in un unico cavo. I risultati hanno mostrato che il sistema funzionava molto bene. Il computer è stato in grado di separare nuovamente i segnali e produrre spettri chiari per tutti e quattro i campioni simultaneamente. Sebbene ci sia stata una leggera diminuzione della chiarezza del segnale per alcuni canali, compresa tra circa l'8% e il 32%, i ricercatori hanno scoperto che semplicemente ripetere la misurazione e mediare i risultati era possibile ripristinare la qualità. Quando hanno mediato 32 scansioni, la qualità del segnale è migliorata di un fattore superiore a cinque, raggiungendo quasi il limite teorico previsto per tale processo.

Per dimostrare ulteriormente la flessibilità del loro design, il team ha condotto un secondo esperimento utilizzando una sonda diversa che conteneva un singolo campione ma comprendeva due bobine sintonizzate su diversi tipi di atomi: idrogeno e carbonio. Questa configurazione ha permesso loro di testare se il chip potesse gestire segnali da elementi diversi contemporaneamente. Hanno eseguito l'esperimento in un magnete leggermente più piccolo e hanno nuovamente combinato i due segnali in un unico cavo. I risultati hanno confermato che il chip poteva gestire con successo i segnali di nuclei atomici diversi, nonostante questi vibrino a frequenze molto differenti. La qualità del segnale è rimasta elevata, con una perdita di chiarezza minima per il segnale dell'idrogeno e una perdita quasi impercettibile per quello del carbonio. Mediando 16 scansioni, hanno nuovamente recuperato quasi completamente la forza del segnale, dimostrando che il sistema è abbastanza stabile per esperimenti a lungo termine.

Uno dei vantaggi più significativi di questo nuovo metodo è come faccia risparmiare tempo. In una configurazione tradizionale, se uno scienziato volesse eseguire 32 misurazioni su quattro campioni diversi, dovrebbe aspettare che la macchina finisca un campione, poi il successivo, e così via, ripetendo il processo quattro volte. Con il sistema multiplexed, tutti e quattro i campioni vengono misurati contemporaneamente durante quei 32 cicli. Ciò significa che il tempo totale richiesto per l'esperimento viene ridotto di un fattore quattro, un enorme guadagno per il lavoro ad alto rendimento come la scoperta di farmaci. I ricercatori hanno anche dimostrato che il sistema poteva gestire sequenze di impulsi complesse, come quelle utilizzate per misurare quanto tempo impiega un segnale a tornare al suo stato di riposo, senza perdere stabilità. Hanno persino dimostrato di poter utilizzare il software per pulire qualsiasi minima interferenza tra i canali, garantendo che i dati di un campione non si riversassero nei dati di un altro.

Il successo di questo lavoro suggerisce che il futuro della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare potrebbe prevedere array di rilevatori molto più densi e compatti in spazi ridotti. Poiché il chip è così piccolo e integra molte funzioni, può essere posizionato molto vicino al campione, riducendo la perdita di segnale che solitamente avviene quando l'elettricità viaggia attraverso lunghi fili. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il loro chip attuale sia stato realizzato con un processo di produzione standard, le versioni future potrebbero essere realizzate con caratteristiche ancora più piccole, consentendo di inserire ancora più canali in un singolo dispositivo. Ciò potrebbe portare infine a spettrometri in grado di analizzare decine di campioni contemporaneamente, trasformando il modo in cui gli scienziati approcciano lo screening chimico su larga scala. Lo studio conferma che è possibile superare i limiti tradizionali dei sistemi ingombranti a più cavi, offrendo una via pratica verso un'analisi chimica più veloce, più efficiente e più economica.