Projekti / Programi
Spektrometer za avtomatizirano karakterizacijo novih spojin z metodo 14N jedrske kvadrupolne resonance
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P180 |
Naravoslovno-matematične vede |
Meroslovje, fizikalna instrumentacija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
jedrska kvadrupolna resonanca, dušik, farmacevtske spojine, polimorfizem
Raziskovalci (10)
Organizacije (3)
Povzetek
Jedrska kvadrupolna resonanca (JKR) je že nekaj desetletij stara spektroskopska metoda za opazovanje prehodov med energijskimi nivoji kvadrupolnih jeder, ki pa kljub temu ni doživela takega razmaha, kot njena sestrska metoda jedrska magnetna resonanca, predvsem zaradi velike razpršenosti karakterističnih resonančnih frekvenc. Ta problem za jedro 14N in nekatera druga jedra bomo skušali v tem projektu odpraviti z razvojem novega JKR spektrometra, ki bo deloval na območju do 5 MHz. Prednost novega spektrometra pred obstoječimi komercialnimi in nekomercialnimi spektrometri bo kompaktna izvedba ter samostojno delovanje na celotnem frekvenčnem območju. Z novim spektrometrom bo omogočena bistveno lažja in hitrejša JKR karakterizacija novih spojin, to je iskanje vseh JKR resonančnih frekvenc, prav tako pa bo lažje tudi naknadno preverjanje sestave materialov, predvsem določanje prisotnih polimorfov, oziroma različnih kristalnih faz. Razvoj kompaktnega spektrometra bo danes v primerjavi s preteklostjo bistveno lažji zaradi velika napredka in dostopnosti mnogih računalniških integriranih komponent.
Osrednji težavi, ki se pojavljata pri izdelavi takega spektrometra sta:
razpršenost karakterističnih 14N JKR resonančnih frekvenc na relativno širokem območju 0 – 5 MHz (širina resonance ki jo iščemo je tipično le nekaj 100 Hz), ter
velike razlike v JKR parametrih (relaksacija) različnih spojin, ki terjajo prilagojene merilne protokole.
Razpršenost frekvenc povzroča predvsem tehnični problem in preprečuje zajemanje celotnega spektra v enem koraku, kot je to v navadi pri JMR in mnogih drugih spektroskopskih metodah. Resonance je potrebno dejansko iskati, kar je zelo zamudno delo. Težava je tudi v razpoložljivi raziskovalni opremi. Komericalni JMR spektrometri, ki se danes večinoma uporabljajo za JKR meritve, namreč ne omogočajo avtomatskega spreminjanja frekvence na tako širokem območju, kar pa pomeni da jo to potrebno storiti ročno.
Okoli obeh problemov bo tudi organizirano delo v tem projektu in sicer v dveh sklopih. Prvi sklop bo zajemal predvsem razvoj strojne opreme, kjer bo največji izziv predstavljal razvoj Tx/Rx stikala za preklapljanje med sondo ter oddajnikom in sprejemnikom. V tem sklopu bomo v spektrometer integrirali tudi nekatere druge potrebne module, ki se sedaj že uporabljajo a kot samostojne enote. V drugem sklopu bo jedro raziskav potekalo okoli razvoja protokolov in pulznih zaporedij za hitro iskanje 14N JKR resonančnih frekvenc v novih spojinah, kjer želimo čim hitreje preiskati območje od 500 kHz do 5 MHz tako, da zajamemo vzorce z zelo različnimi načini relaksacije. V tem sklopu bomo razvili tudi krajše protokole, za preverjanje prisotnosti točno določenih snovi, na podlagi predhodno določenih resonančnih frekvenc.
Aplikativno vrednost novega spektrometra vidimo predvsem v farmacevtski industriji saj so JKR resonančne frekvence zelo občutljive na molekularno/kristalno strukturo in tako uporabne za kontrolo sestave učinkovin (polimorfizma). Poleg tega, utegne biti spektrometer uporaben še na številnih drugih področjih, saj mnoge spremembe stanja trdnih snovi povzročijo tudi spremembo JKR resonančnih frekvenc. Spektrometer ne bo omejen samo na 14N JKR. Vsa kvadrupolna jedra s spinom I ) 1/2 pridejo v poštev, v kolikor je njihova NQR resonančna frekvenca v obsegu spektrometra (( 5 MHz). V projektu se osredotočamo na 14N zato, ker je to zelo pogosto jedro, poleg tega pa neprimerno za visokoločljiv JMR, kar sicer ne velja za ostala kvadrupolna jedra.
Spektrometer s takimi karakteristikami bo pomembno nadgradil naš obstoječi JKR laboratorij, hkrati pa tudi povečal konkurenčnost podjetja Jeklotehna-Teho (sofinancer), ki izdeluje in trži podobne sisteme za potrebe jedrske magnetne resonance.
Pomen za razvoj znanosti
Spektrometer za avtomatizirano 14N NQR relaksacijo smo razvijali z dvema namenoma v mislih: 1.) Aplikativna raba za karakterizacijo novih spojin, predvsem za farmacevtske potrebe. 2.) Osnovne raziskave 14N NQR spektroskopije na organskih sistemih. Čeprav je 14N NQR spektroskopija že precej staro področje, so mnogokatera osnovna vprašanja še vedno odprta. V preteklosti je bil glavni poudarek NQR raziskav namenjen samo resonančni frekvenci, kjer so raziskovalci skušali odgovoriti na vprašanja kot so: Kako je resonančna frekvenca povezana z kristalno zgradbo, oziroma kako jo lahko čimbolj natančno izračunamo na podlagi različnih modelov. Razlog za to so bili predvsem CW spektrometri, ki so natančno izmerili le frekvenco neke resonance, ne pa tudi ostalih parametrov. Današnji pulzni spektrometri omogočajo relativno enostavno merjenje tudi relaksacijskih parametrov, kot tudi natančne intenzitete resonance. Obe vrsti parametrov nam marsikaj povedo o vzorcu. Predvsem gre tukaj izpostaviti naslednje probleme: 1.) Odvisnost intenzitete resonance z velikostjo/majhnostjo kristalnih delcev? Tipičen 14N NQR vzorec je polikristaliničen prah, kjer je velikost posameznih delcev odvisna od načina priprave. Zelo pogosto je zaželeno, da ima učinkovina čim večjo površino, zato jo še posebej dobro zmeljejo (mikronizirajo), kar pa utegne vplivati na NQR parametre. Namreč, NQR resonanca je lastnost urejenega sistem, toda kristalni delec je na površini le delno urejen, saj nima sosedov. Zaradi tega pričakujemo, da resonančna frekvenca površinske plasti drugačna, morda tako zelo, da je ne zaznamo, in zato posledično zgubimo nekaj signala. Pri zelo drobnem prahu utegne površina imeti že tako velik vpliv, da utegnejo biti meritve zelo nezanesljive. Pri kateri velikosti delcev se to zgodi je trnutno še neznano, a zagotovo bo to pomemben predmet 14N NQR raziskav v prihodnosti. 2.) Tudi relaksacijski parametri so pri sedanjih analizah v veliki meri zanemarjeni. Tako kot pri intenziteti, pričakujemo da ima površina kristalov pomembno vlogo. Ne vemo pa, pri kakšni velikosti kristalov se to zgodi. Podobno velja tudi za vzorce izpostavljene tlakom in pri drugih metodah za pripravo vzorcev. Odgovor na obe vprašanji lahko načeloma dobimo tudi brez našega avtomatiziranega spektrometra, a pričakovati je, da bo potrebno delati z velikim številom različnih vzorcev in snovmi za katere bo potrebno predhodno poiskati frekvenco. Naš, avtomatiziran spektrometer, bo pri tem delu v veliko pomoč, saj smo iskanje frekvenc avtomatizirali in precej pospešili. Zaradi tega se bomo lahko bistveno bolje postevili delu na drugih parametrih, kar nam bo nudilo znatno prednost pred drugimi konkurenčnimi skupinami v svetovnem merilu.
Pomen za razvoj Slovenije
14N NQR avtomatiziran spektrometer je samostojna naprava, saj za svoje delovanje ne potrebuje drugih pomožnih naprav. Zaradi tega je takoj uporabna, recimo kot analitska naprava v laboratorijih. Ocenjujemo, da ima velik tržni potencial. Načrtujemo, da bo ta naprava podlaga za novo nastalo spin-off podjetje, ki utegne najprej tržiti posamezne storitve analiziranja vzorcev na regionalnem področju, v kasnejši fazi pa tudi proizvajati in prodajati take spektrometre na svetovnem tržišču. Kot visokotehnološko podjetje utegne imeti veliko dodano vrednost, kar je vsekakor ugodno za Slovenijo in njen nadaljni razvoj. Napravo bomo tudi oglaševali na vseh pomembnejših konferencah s tega področja in tako promovirali Slovenijo in njeno tehnološko usposobljenost.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
