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手持金刚钻,可揽“磁”器活:Science报道纳米级NMR技术重要突破

核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)波谱技术作为研究物质结构的常用分析手段,可用于分子结构、不同分子间的相互作用、分子动力学或动态特征以及生物质溶液、复合材料的组成成分等诸多研究。该技术可以分析分子量较小的有机分子及代谢产物,也可用来鉴定天然产物、多肽以及蛋白质等生物大分子的结构,与其他结构分析技术如X-射线单晶衍射、质谱等表征手段结合共同对物质结构进行有效检测。NMR波谱技术的优势在于,NMR波谱仪可以在不损耗样品的前提下快速提供物质在原子水平的结构信息,实现对液体和固体分子的定性或定量研究,在化学、生物学及材料科学领域具有广泛的应用。除此之外,NMR作为磁共振成像的核心作用机制,可辅助诊断人体的实质器官、全身软组织和骨关节病变,是医学影像研究的重要技术。


灵敏度与分辨率是衡量分析技术的两个重要指标。相比于其他分析手段,NMR波谱技术的检测灵敏度相对较低,通常需要纳升(10-9  L)体积的样品方可进行测试,在检测含量偏低的物质时往往面临巨大难题。随着科学技术的发展,纳米级灵敏度的分析在不同领域的需求日益增加,有效提高NMR波谱检测的灵敏度势在必行。以往的解决方案包括将超灵敏度的磁共振力显微镜与3D成像技术结合提高NMR波谱的灵敏度;或者在较低的转变温度下,借助超导量子干涉仪可以减小磁场不均匀以及磁化率变化带来的谱峰展宽等。在近期的研究中,人们还发现具有氮空位(nitrogen vacancy,NV)中心的金刚石在用作NMR的传感器时表现出独特的光学与磁学性质,与常规的NMR波谱表征相比,产生可检出信号所需的核自旋数量降低了12个数量级,灵敏度得到大幅度提高。但由于NV传感器的相干时间有限,并伴随着分子扩散等因素的影响,这种改进技术的光谱分辨率仍不够理想。

图1. 1H NMR谱中相位采集时间T与1H化学位移、1H-13C/1H-1H原子核自旋耦合的关系。图片来源:Science


最近,德国斯图加特大学Philipp Neumann博士等人仍旧基于金刚石中存在的NV中心,结合以往在量子存储方面的研究对NV传感器进行改进。他们将这种量子传感器用于NMR波谱系统,在强磁场作用下得到了仄升(10-21 L)级体积样品的1H与19F NMR谱,实现了高分辨率的纳米级液态与固态NMR检测。相关工作发表在Science 上,文章的共同第一作者是Nabeel AslamMatthias Pfender

图2. 基于量子存储程序的NV传感器。图片来源:Science


NMR波谱本质上是在测量磁矩不为零的原子核发生自旋能级跃迁时不同的共振频率,这一参数还会受到相邻原子核的自旋耦合作用以及周围环境中电子分布的影响。NMR波谱的分辨率Δδ 可通过以下关系来表示:


其中γ 为相应的核自旋旋磁比,B 为外加磁场;T2* 为样品旋转的去相干时间,TD 反映了样品分子的扩散时间,T1 则为传感器的电子自旋弛豫时间,三者与样品的相位采集时间T 具有直接联系。简单的改进方法可通过增大NMR波谱仪的磁场强度来提高其光谱分辨率,但仪器的制造成本也随之剧增,并带来昂贵的维护费用。前文我们提到,以往设计NV传感器的T1 TD 较低,导致样品没有足够的相位采集时间确保测量频率的精度,从而导致谱峰展宽,光谱分辨率Δδ 由此降低。


作者首先使用金刚石中的NV中心作为NMR探针,以共焦显微镜进行光学检测,沿着NV中轴线方向的高磁场由超导矢量磁体提供,电子自旋通过高频运转的磁感应线圈加以控制,NV中心的氮核自旋与样品自旋则可由射频线圈进行调控。采集的信号通过NV传感器中的氮核自旋进行量子存储,以此延长传感器的电子自旋弛豫时间。与此同时,他们还使用高同位素纯度的IIa型金刚石作为基底消除同位素13C自旋以及顺磁共振带来的干扰。NMR波谱系统的磁场强度增加至3T时,传感器的电子自旋弛豫时间T1mem 从毫秒级提高至约260秒,Δδ 由此得到有效的提高。

图3. NV传感器的纳米级NMR波谱仪示意图。图片来源:Science


为了减缓液体样品的扩散速度,作者适当增加样品与传感器间的距离,使两者的相互作用时间增加,TD 由此得到提高。他们分别选择了高粘度的聚合物液体聚丁二烯(CH2CH=CHCH2)n  (n约为90)与全氟聚醚(PFPE) CF3O[–CF(CF3)CF2O–]x(–CF2O–)yCF3(x约为140,y约为13)进行1H 19F NMR谱测试,对于无法使用常规NMR波谱进行检测的纳米级样品((28 nm)3,约为22仄升),改进的纳米级NMR波谱获得了1 ppm的光谱分辨率,谱峰线宽相比常规NMR波谱变窄10倍。

图4. 液体样品的纳米级NMR波谱测试。图片来源:Science


对于固体样品,体系中存在的偶极自旋-自旋相互作用将引起偶极展宽,造成T2* 减小。常规的固态NMR波谱表征则通过魔角旋转或同核/异核去耦序列两种方法可以抑制这一现象。作者选择聚(2-氰基丙烯酸乙酯)作为待测固体样品,通过执行两组同核去耦序列(WAHUHA和MREV-8),同样实现了高分辨率的纳米级固态NMR检测。

图5. 固体样品的纳米级NMR波谱测试。图片来源:Science


——总结——


Philipp Neumann博士等人改进的纳米级NMR波谱在兼顾检测灵敏度的同时对仪器的光谱分辨率进行了优化,相比常规的NMR波谱表征手段,两者均得到了显著的提高。尽管从目前来看,NV传感器的NMR波谱测量时间与信噪比仍不够理想,但这项技术对进一步发展与细胞或生物大分子相关的纳米级化学、生物样品测试具有重要的指导意义。随着人们不懈的努力,纳米级NMR波谱技术必将得到不断的完善,突破以往在物质结构研究中的重重局限。


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Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution

Science, 2017, 357, 67, DOI: 10.1126/science.aam8697


部分内容编译自:http://science.sciencemag.org/content/357/6346/38


(本文由夜若岚尘供稿)


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