CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

A análise química muitas vezes parece uma corrida contra o tempo, especialmente quando os cientistas precisam compreender a composição de centenas ou milhares de amostras diferentes. Uma das ferramentas mais poderosas para este trabalho é a ressonância magnética nuclear, uma técnica que utiliza campos magnéticos fortes e ondas de rádio para revelar a estrutura precisa das moléculas. É um método suave que não destrói a amostra, permitindo que os pesquisadores vejam exatamente como os átomos estão arranjados e como eles interagem. No entanto, a forma tradicional de utilizar esta tecnologia é lenta. As máquinas padrão são projetadas para observar uma amostra de cada vez e, mesmo quando conseguem observar múltiplas amostras, o equipamento necessário para ouvi-las simultaneamente torna-se volumoso, caro e emaranhado com um emaranhado de cabos. Este gargalo limita a velocidade com que os cientistas podem triar novos medicamentos ou estudar misturas biológicas complexas, criando uma necessidade premente de uma maneira de acelerar o processo sem sacrificar a qualidade dos dados.

Uma equipa de investigadores do Instituto Karlsruhe de Tecnologia, na Alemanha, desenvolveu uma nova abordagem para resolver este problema, reduzindo a eletrónica complexa necessária para a deteção paralela para um minúsculo chip de computador. O seu trabalho foca-se num método chamado multiplexação, que permite que múltiplos sinais de rádio viajem por um único fio ao mesmo tempo sem interferirem entre si. Para testar esta ideia, construíram um chip personalizado utilizando tecnologia de fabrico de silício padrão, medindo apenas 3 milímetros por 4 milímetros. Este pequeno dispositivo atua como um controlador de tráfego para ondas de rádio, pegando nos sinais de quatro detetores de amostras diferentes e combinando-os num único fluxo que pode ser enviado para um computador para análise. Ao fazer isto, eliminaram a necessidade de quatro portas de recetor separadas e do pesado feixe de cabos que normalmente liga os mesmos, reduzindo efetivamente o custo e a complexidade do hardware por um fator de quatro.

Os investigadores testaram o seu sistema em dois cenários diferentes para ver se ele conseguiria lidar com condições do mundo real. No primeiro experimento, utilizaram uma sonda especializada contendo quatro detetores separados, cada um contendo uma amostra líquida diferente. Dois dos detetores foram sintonizados para ouvir átomos de hidrogénio, enquanto os outros dois ouviam átomos de flúor. Colocaram esta sonda dentro de um íman poderoso e passaram as amostras pelo sistema. Sem o seu novo chip, a máquina precisaria de quatro cabos separados para enviar os dados para o computador. Em vez disso, o chip combinou todos os quatro sinais num único cabo. Os resultados mostraram que o sistema funcionou de forma notável. O computador foi capaz de separar os sinais novamente e produzir espectros claros para todas as quatro amostras simultaneamente. Embora tenha ocorrido uma ligeira queda na clareza do sinal para alguns canais, variando entre cerca de 8% e 32%, os investigadores descobriram que simplesmente repetir a medição e tirar a média dos resultados poderia restaurar a qualidade. Quando calcularam a média de 32 varreduras, a qualidade do sinal melhorou por um fator de mais de cinco, aproximando-se quase do limite teórico esperado para tal processo.

Para provar ainda mais a flexibilidade do seu design, a equipa realizou um segundo experimento utilizando uma sonda diferente que continha uma única amostra, mas que possuía duas bobinas sintonizadas para diferentes tipos de átomos: hidrogénio e carbono. Esta configuração permitiu-lhes testar se o chip conseguiria gerir sinais de diferentes elementos ao mesmo tempo. Realizaram o experimento num íman ligeiramente menor e, novamente, combinaram os dois sinais num único cabo. Os resultados confirmaram que o chip poderia gerir com sucesso sinais de diferentes núcleos atómicos, apesar de estes vibrarem a frequências muito distintas. A qualidade do sinal mante-se elevada, com uma perda de clareza mínima para o sinal de hidrogénio e uma perda quase impercetível para o sinal de carbono. Ao tirar a média de 16 varreduras, recuperaram novamente a força do sinal quase completamente, demonstrando que o sistema é estável o suficiente para experiências de longa duração.

Uma das vantagens mais significativas deste novo método é como ele poupa tempo. Num setup tradicional, se um cientista quisesse realizar 32 medições em quatro amostras diferentes, teria de esperar que a máquina terminasse uma amostra, depois a seguinte, e assim sucessivamente, repetindo o processo quatro vezes. Com o sistema multiplexado, todas as quatro amostras são medidas ao mesmo tempo durante esses 32 ciclos. Isto significa que o tempo total necessário para o experimento é reduzido por um fator de quatro, um ganho massivo para o trabalho de alto rendimento, como a descoberta de fármacos. Os investigadores também demonstraram que o sistema podia lidar com sequências de pulsos complexas, tais como aquelas usadas para medir quanto tempo demora um sinal a regressar ao seu estado de repouso, sem perder a estabilidade. Eles até mostraram que poderiam utilizar software para limpar qualquer interferência menor entre os canais, garantindo que os dados de uma amostra não transbordassem para os dados de outra.

O sucesso deste trabalho sugere que o futuro da espectroscopia de ressonância magnética nuclear poderá envolver matrizes de detetores muito mais densas, compactadas em espaços menores. Como o chip é tão pequeno e integra tantas funções, pode ser colocado muito próximo da amostra, reduzindo a perda de sinal que normalmente ocorre quando a eletricidade percorre fios longos. Os investigadores observaram que, embora o seu chip atual tenha sido fabricado através de um processo de fabrico padrão, versões futuras poderiam ser feitas com características ainda menores, permitindo que ainda mais canais fossem compactados num único dispositivo. Isto poderá eventualmente levar a espectrómetros que consigam analisar dezenas de amostras de uma só vez, transformando a forma como os cientistas abordam a triagem química em larga escala. O estudo confirma que é possível contornar as limitações tradicionais de sistemas volumosos de múltiplos cabos, oferecendo um caminho prático para uma análise química mais rápida, eficiente e económica.