什么是核磁共振？
 

　　??核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，簡(jiǎn)稱 NMR)?? 是一種基于??原子核磁性??與??外加磁場(chǎng)相互作用??的物理現(xiàn)象，通過(guò)該現(xiàn)象可以研究物質(zhì)的??分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)過(guò)程、化學(xué)環(huán)境??等信息。
 

　　它既是一種重要的??分析技術(shù)??，也是一種先進(jìn)的??醫(yī)學(xué)成像技術(shù)(即 MRI，磁共振成像)??。

 

　　DNP-NMR
 

　　【綜述】
 

　　動(dòng)態(tài)核極化(DNP)NMR通過(guò)轉(zhuǎn)移電子自旋儲(chǔ)能器的波耳茲曼(Boltzman)極化來(lái)增強(qiáng)NMR的信號(hào)強(qiáng)度，而大大提高了NMR檢測(cè)靈敏度、縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。DNP-NMR譜儀系統(tǒng)滿足在生物分子、材料科學(xué)以及藥物研究領(lǐng)域的檢測(cè)靈敏度需求，從而使其可以用于研究更多的新體系。
 

　　u  信號(hào)增強(qiáng)倍數(shù)在20到400倍之間
 

　　u  263GHz的速調(diào)管也可用于400 MHz的DNP實(shí)驗(yàn)
 

　　u  極化增強(qiáng)可使檢測(cè)靈敏度最高提升200倍

 

　　【簡(jiǎn)介】
 

　　固體核磁共振技術(shù)(Solid State NMR)可以用于生物蛋白、化學(xué)材料以及藥物等固體材料的結(jié)構(gòu)解析及其動(dòng)力學(xué)研究，但是由于很多NMR活性核具有較小的核磁矩和較低的天然豐度導(dǎo)致其檢測(cè)靈敏度很低，這就限制了固體核磁共振技術(shù)的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)核極化(DNP)可以通過(guò)微波照射與極化試劑混合的樣品將電子自旋的極化傳遞給周圍的核自旋，由于電子自旋極化遠(yuǎn)大于核自旋極化，因此可以顯著提高NMR技術(shù)的檢測(cè)靈敏度，提高倍數(shù)可達(dá)幾十到幾百倍。這樣我們利用固體 DNP-NMR技術(shù)就可以得到傳統(tǒng)固體核磁共振技術(shù)需要在超高場(chǎng)強(qiáng)下才能觀察到的更加詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。目前，固體 DNP-NMR技術(shù)已經(jīng)在生物膜蛋白、藥物活性成分、高分子聚合物、鋰電池、表面物種等結(jié)構(gòu)解析及其相互作用研究方面取得了重要進(jìn)展。
 

▲丙酮酸(13C)的13C-DNP譜圖；來(lái)自德克薩斯州達(dá)拉斯UTSW醫(yī)療中心
 

　　【樣品制備】
 

　　制備樣品需要一些工具，包括 DNP-NMR波譜儀、轉(zhuǎn)子和適當(dāng)?shù)臉悠啡軇?。此外，必須存在不成?duì)的電子，尤其是自由基必須添加到樣品中，以使DNP功能正常。
 

　　在DNP實(shí)驗(yàn)中使用的偏光劑通常是基于氮氧化物的自由基，非反應(yīng)性基團(tuán)，通常能夠耐受氧化，同時(shí)能在不同范圍的水溶劑中保持相當(dāng)水平的溶解度。最常見的基于氮氧化物的自由基包括AMUPol、TEMPO和TOTAPOL。理想情況下，樣品的濃度范圍為5-20 mM。如果濃度太低，則可能存在的電子太少，無(wú)法推動(dòng)DNP增強(qiáng)。
 

　　在溶劑中溶解自由基是制備DNP實(shí)驗(yàn)樣品的第一步。要將自由基傳遞到樣品中，有效的方法是采用溶液形式。使用低溫保護(hù)劑溶劑對(duì)于在低溫下保護(hù)樣品至關(guān)重要。例如，如果在樣品中使用蛋白質(zhì)，則該蛋白質(zhì)可能需要在低溫下置于冷凍保護(hù)劑溶劑中，以防止由于冰晶的形成而導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。
 

　　如果樣品不溶于水溶液，如膜蛋白和纖維，則需要采取進(jìn)一步的步驟使自由基均勻分布。雖然自由基存儲(chǔ)溶液有助于這些樣品的混合或混懸，大多數(shù)卻是通過(guò)一種自由基溶液進(jìn)行離心。較高濃度的自由基可達(dá)到約10 mM。可能需要用含大量脂質(zhì)的樣品來(lái)降低甘油，因?yàn)檫@些脂質(zhì)通常含有它們自己的低溫保護(hù)劑特性。
 

　　在用布魯克固態(tài)DNP-NMR波譜儀制備實(shí)驗(yàn)樣品的過(guò)程中，研究人員首先從質(zhì)量相當(dāng)于全轉(zhuǎn)子質(zhì)量的固態(tài)粉末樣品開始。然后，將溶劑緩慢添加到固態(tài)樣品中，將樣品和溶劑混合在一起形成濕糊。這種糊狀物應(yīng)該略稠，不含多余的水分?？商砑痈鄻悠芬越档蜐穸?，繼續(xù)確?；旌衔锉３趾隣畛矶?。然后將這種糊狀混合物填充到整個(gè)轉(zhuǎn)子中，以進(jìn)行NMR實(shí)驗(yàn)。
 

　　【應(yīng)用】
 

　　²  生物固體材料的DNP-NMR：小型肽、膜蛋白和可溶性蛋白增強(qiáng)。
 

　　²  材料科學(xué)：在分子水平上，布魯克的DNP-NMR波譜儀可用于表征通常用于藥物輸送、純化設(shè)備和催化的雜化二氧化硅材料。
 

　　²  13C脯氨酸的DNP增強(qiáng)SPMAS：將極化劑加入共享溶劑或通過(guò)在樣品上使用自由基。在低溫(100至120開爾文)、MAS下測(cè)量樣品，然后進(jìn)行NMR實(shí)驗(yàn)。
 

　　²  Expansin蛋白與植物細(xì)胞壁的結(jié)合：布魯克 DNP-NMR波譜儀可使用REDOR過(guò)濾器從expanin 13C信號(hào)中選擇信號(hào)，從而幫助檢測(cè)與植物細(xì)胞壁混合的expansin。在REDOR過(guò)濾器之后，自旋擴(kuò)散顯示出細(xì)胞壁多糖和expansin之間的相關(guān)性。
 

　　【其他超極化方法和應(yīng)用】
 

　　仲氫誘導(dǎo)極化（PHIP）將極化直接從對(duì)氫(para-H2)轉(zhuǎn)移到附近感興趣的核或使用射頻基磁化轉(zhuǎn)移方法。對(duì)于有機(jī)分子，對(duì)h2可以直接通過(guò)不飽和碳-碳鍵加入，也可以在極化可以從para-H2轉(zhuǎn)移到分子內(nèi)位的條件下與樣品混合。與DNP相比，PHIP的一些優(yōu)點(diǎn)是可以很快獲得極化樣品(在秒或分鐘的量級(jí)上)，并且不需要自由基摻雜劑。
 

　　代謝成像-使用DNP和PHIP獲得的信號(hào)增強(qiáng)可以用于檢測(cè)體內(nèi)1H、13C和15N代謝。使用超極化13C富集有機(jī)分子的13C磁共振成像(MRI)比基于1h的成像技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘蕹吮尘靶盘?hào)的影響，13C的化學(xué)位移范圍使分子選擇性增加。目前，人們將同位素富集的超極化底物用于醫(yī)學(xué)成像，因?yàn)榭梢垣@得詳細(xì)的代謝信息(底物定位和生化轉(zhuǎn)化)和生理信息(例如，細(xì)胞內(nèi)pH值)。人們對(duì)使用1-13C丙酮酸作為DNP底物，根據(jù)其轉(zhuǎn)化為乳酸來(lái)區(qū)分健康組織和病變組織。雖然超極化自旋半核的信號(hào)增強(qiáng)隨著T1衰減，研究人員正在建立長(zhǎng)壽命的核狀態(tài)，有望在幾分鐘甚至幾小時(shí)的時(shí)間尺度上研究新陳代謝，而不是幾秒。
 

　　【超極化富集底物】
 

　　青島騰龍微波科技有限公司提供以下超極化富集底物，用于代謝研究以及PHIP和DNP實(shí)驗(yàn)。由于消除了13C-1H偶極弛豫，鄰近13C核的氘的存在可能有助于延長(zhǎng)T1時(shí)間。研究顯示，其中一個(gè)或多個(gè)化合物超極化在同一個(gè)樣本，從而同時(shí)探測(cè)多種途徑。
 

【超極化氣體】
 

　　3He和129Xe是用光泵方法超極化的，這些材料用于核磁共振成像來(lái)顯示肺部的氣流空間和阻塞。一種新的生物傳感器，包括封裝129Xe的發(fā)展也是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
 

【DNP的氘化溶劑】
 

　　對(duì)于DNP實(shí)驗(yàn)，在微波輻射期間和之后使用氘化溶劑有助于降低核弛豫速率，從而延長(zhǎng)13C核和其他核超極化的時(shí)間。極化過(guò)程中使用的所有溶劑必須在低溫下玻璃化，以確保自由基均勻地分散在固體樣品中。
 

【貧13C氘化溶劑】
 

　　在固態(tài)低溫條件下獲得的DNP實(shí)驗(yàn)得益于連續(xù)微波輻照，因此可以進(jìn)行未經(jīng)修飾的固態(tài)核磁共振實(shí)驗(yàn)(如CPMAS 2D實(shí)驗(yàn))。使用貧13C的氘化溶劑將大大減少或消除溶劑中不需要的13C信號(hào)，從而提高獲得的光譜質(zhì)量。