Wynalazek polskich naukowców usprawni pracę spektroskopów

Spektroskopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance), czyli spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, to metoda badania pola magnetycznego wokół jąder atomowych. Znajduje zastosowanie głównie w chemii i medycynie. Chemicy i biochemicy wykorzystują tę technikę w szerokim zakresie, w szczególności w chemii organicznej, do badania cząstek w roztworach. W medycynie NMR służy do obrazowania tomograficznego.

Grupa badawcza CNBCh UW "Nowe metody spektroskopii NMR w badaniach strukturalnych biomolekuł" również należąca do Pracowni Oddziaływań Międzymolekularnych na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego słynie na świecie z eksperymentów związanych z badaniami białek, w wyniku których powstają wielowymiarowe widma NMR przydatne w analizowaniu struktury tych cząstek. To głównie badania podstawowe, ale potencjalnie mogą zostać wykorzystane również praktycznie przez koncerny farmaceutyczne. Przykładowo przy projektowaniu nowych leków, gdzie bada się konkretne białka i dobiera do nich odpowiednie receptory, znajomości struktury cząstek wyeliminowałaby konieczność działania na chybił trafił.

Badania tego typu prowadzone są przy pomocy wyspecjalizowanych urządzeń - spektrometrów NMR. To niezwykle drogie a zarazem delikatne urządzenia. Koszt ich zakupu liczony jest w milionach euro. Do tego dochodzą jeszcze cykliczne koszty serwisu - wartość rocznego kontraktu na utrzymanie aparatury może wynosić nawet 60 tys. euro. 

Ogromne znaczenie prowadzonych eksperymentów dla postępów w biochemii oraz wysokie koszty urządzeń i ich utrzymania a zarazem duża wrażliwość na awarie zrodziły ideę zbudowania prototypu uniwersalnego narzędzia diagnostyczno-monitorującego UNDM dla konsol spektrometrów magnetycznego rezonansu jądrowego. Miałoby ono pozwolić określać przebieg sygnałów elektrycznych w najbardziej czułych elementach urządzeń oraz monitorować, czy nie są przekraczane bezpieczne wartości.

- Idea urządzenia polega na precyzyjnym monitorowaniu działania spektrometrów NMR. Obecnie mamy do dyspozycji jedynie efekt końcowy. Tymczasem chcemy zyskać pewność, że eksperymenty przebiegają dokładnie z założeniami naukowymi. Charakterystyka sygnałów wytwarzanych w spektrometrze NMR powinna być w pełni zgodna z założeniami badawczymi to funkcja kontrolna urządzenia. Dodatkowo urządzenie miałoby posłużyć zapobieganiu awariom. Możliwość obserwowania na bieżąco generowanego sygnału elektrycznego pozwala na zaprojektowanie mechanizmów alarmowych. Ich aktywacja w przypadku przekroczenia pewnych parametrów amplitudy pozwoliłaby na interwencję zanim dochodziłoby do uszkodzenia - powiedział autor pomysłu, prof. dr hab. Wiktor Koźmiński, kierownik Pracowni Oddziaływań Międzymolekularnych na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.

W obecnej fazie projektu budowany jest prototyp, który następnie będzie testowany i badany w laboratorium Pracowni Oddziaływań Międzymolekularnych. Zakończenie tych prac sukcesem pozwoliłby na stworzenie produktu stanowiącego uzupełnienie dla istniejących spektrometrów NMR. Komercjalizację badań wspiera Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii UW.

- Uniwersytet Warszawski ma w CNBCh dwa stosunkowo duże spektrometry NMR. Koszt ich zakupu wyniósł kilkanaście milionów złotych. W skali kraju wykorzystywanych jest kilkadziesiąt dużych i średniej wielkości takich urządzeń. Ze względu na wysokie koszty zakupu i serwisu spektrometry używane są głównie na wydziałach chemicznych i biochemicznych bogatszych uczelni wyższych. Zagranicą są czasem na wyposażeniu największych firm chemicznych - powiedział Robert Dwiliński, dyrektor UOTT. 

Na obecnym etapie trudno określić, czy prototypowane urządzenie mogłoby zostać wykorzystane w spektrometrach NMR użytkowanych w medycynie.

Najprawdopodobniej budowanego przez prof. dr hab. Wiktora Koźmińskiego urządzenia diagnostyczno-monitorującego nie będzie można objąć ochroną patentową. Przyrząd kontrolny, sam w sobie, nie jest odrębnym urządzeniem. Z pewnością będzie jednak możliwe zastrzeżenie wzoru użytkowego. 

Głównym celem naukowym projektu jest precyzyjne monitorowanie funkcjonowania urządzenia. W konsekwencji możliwe byłoby korygowanie jego działania. Eksperyment chemiczny przy wykorzystaniu spektrometru NMR rozpoczyna się od stworzenia programu komputerowego, który opisuje generowane sygnały magnetycznego rezonansu jądrowego. Kiedy program zostaje uruchomiony, badacz musi "uwierzyć", że urządzenie wytworzyło sygnały zgodnie podanymi parametrami - ani silniejsze, ani słabsze, ani odbiegające od zaplanowanego kształtu.

- Pojawiające się zniekształcenia mogą wynikać z niedokładności przy programowaniu, ale mogą być także efektem zakłóceń elektrycznych, związanych z przepuszczaniem analogowego sygnału elektrycznego. Kiedy zaplanowane zostało wygenerowanie sygnału o określonym kształcie, a okazałoby się, że faktyczny kształt jest inny, wówczas będzie możliwe korygowanie niedokładności. Przełożyłoby się to w znacznym stopniu na efektywność badań - powiedział prof. dr hab. Wiktor Koźmiński.

Prototypowane urządzenie pozwoli zobaczyć czy eksperyment przebiega faktycznie zgodnie z założeniem naukowca, a jeżeli występują deformacje, określić ich przyczyny. Ta funkcja może odegrać ogromną rolę przy opracowywaniu kluczowych eksperymentów. Dodatkową ważną korzyścią jest zminimalizowanie ryzyka wystąpienia uszkodzeń wynikających ze zbyt wysokiej mocy sygnału lub nadmiernej długości impulsu. Generowane impulsy mają bardzo dużą moc, często idącą w setki Watów. 

Ważną cechą budowanego urządzenia jest jego uniwersalny charakter, co oznacza, że będzie można je wykorzystywać do diagnozowania i monitorowania urządzeń różnych producentów. Ideę działania spektrometru NMR można przedstawić stosunkowo prosto: silny elektromagnes, do którego podłączona jest sonda i kabel komunikacyjny.

Prototypowane urządzenie miałoby być wpinane w kabel. Nie można bowiem ingerować w konstrukcję spektrometrów NMR. Urządzenie miałoby działać jedynie jako "przejściówka", którą można podłączyć w jak najprostszy sposób. W przeciwnym wypadku mogłyby zostać naruszone warunki gwarancji urządzenia. Biorąc pod uwagę wysokie koszty jego zakupu, żaden właściciel spektrometru NMR nie chciałby podejmować takiego ryzyka.