金剛石可能是未來(lái)核磁共振技術(shù)的關(guān)鍵

　　Alex Pines的研究小組記錄了第一塊室溫下任意磁場(chǎng)和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。

　　Alexander Pines是伯克利實(shí)驗室材料科學(xué)部和伯克利大學(xué)Glenn T. Seaborg化學(xué)教授席位的高級學(xué)院教授，在其主導的一項研究中，研究人員記錄了第一塊室溫下任意磁場(chǎng)和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。超極化的碳-13自旋信號顯示NMR/MRI信號敏感度得到了相對于傳統的NMR/MRI磁體在室溫下通�？赡艿男盘柮舾卸瘸�出多個(gè)數量級的增強。此外，這種超極化是使用微波實(shí)現的，而不是依靠精確的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行超極化轉移。

　　Pines是發(fā)表在《Nature Communications》上一篇關(guān)于本研究的論文的通訊作者。該論文的標題是《金剛石中光泵浦氮空位中心的室溫原位原子核自旋超極化》。Pines研究小組的一位成員JonathanKing是該文的第一作者。

　　作者報告，觀(guān)察到了百分之六的體原子核自旋極化，這是一個(gè)比熱平衡大170000倍左右的核磁共振信號增強。超極化自旋信號可以通過(guò)標準NMR探針進(jìn)行原位檢測，不需要來(lái)回移動(dòng)樣品或者精確的晶體取向。作者認為這種新的超極化技術(shù)應該可以使在室溫條件下對固體和液體的核磁共振研究的靈敏度得到數量級上的增強。

　　“我們的研究結果代表了一個(gè)與Weizmann科學(xué)研究所的Lucio Frydman和其同事在其開(kāi)創(chuàng )性實(shí)驗中得到的結果相當的核磁共振信號增強，但是是在金剛石中通過(guò)微波誘導動(dòng)態(tài)原子核超極化，不需要精確控制磁場(chǎng)和晶體取向，”P(pán)ines說(shuō)：“室溫超極化金剛石打開(kāi)NMR/MRI極化從一個(gè)惰性、無(wú)毒、易分離的源轉移到任意樣本的可能性，這是當代NMR/MRI技術(shù)長(cháng)期追求的一個(gè)目標�！�

　　同時(shí)具有化學(xué)特異性和非破壞性的特點(diǎn)使NMR/MRI技術(shù)在包括化學(xué)、材料、生物和醫學(xué)等的廣泛領(lǐng)域內成為一種不可或缺的技術(shù)。然而，它的敏感度問(wèn)題仍然是一個(gè)持久的挑戰。NMR/MRI信號是基于電子和原子核的一種被稱(chēng)為“自旋”的本征量子特性。電子和原子核可以像一個(gè)旋轉的小磁鐵棒一樣被分配一個(gè)“向上”或“向下”的方向狀態(tài)。NMR/MRI信號取決于被往一個(gè)方向極化的核自旋的大多數——即極化程度越高，信號越強。Pines和他的研究小組成員經(jīng)過(guò)幾十年的努力，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量的方法來(lái)超極化原子核的自旋。在過(guò)去的兩年中他們一直專(zhuān)注于金剛石晶體和一種稱(chēng)為氮空位(NV)中心的雜質(zhì)，在氮空位中心里光學(xué)和自旋自由被耦合在一起。

　　“當純金剛石晶體的晶格中相鄰的兩個(gè)碳原子被從晶格中刪除，留下兩個(gè)空隙，其中一個(gè)被一個(gè)氮原子填充，另一個(gè)保持空缺的時(shí)候，就得到了一個(gè)氮空位(NV)中心，”P(pán)ines解釋說(shuō)。這使得在氮原子和空位之間出現非束縛的電子，產(chǎn)生獨特和明確的電子自旋極化態(tài)�！�

　　在之前的研究中，Pines和他的團隊發(fā)現，低強度磁場(chǎng)可以用來(lái)將NV中心電子自旋極化傳遞到附近的碳-13原子核，從而產(chǎn)生超極化核。這個(gè)被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)核極化的自旋轉移過(guò)程在以前就已經(jīng)被用于增強核磁共振信號，但總是在高強度磁場(chǎng)和低溫條件下進(jìn)行。Pines和他的團隊通過(guò)在金剛石旁邊放置一個(gè)永久磁鐵消除了這些要求。

　　“在我們的新研究中，我們利用微波而不是磁場(chǎng)來(lái)匹配電子和碳-13原子核之間的能量，從而消除了一些困難的對磁場(chǎng)強度和對準的限制，使得我們的技術(shù)更容易使用，”King說(shuō)：“另外，在我們以前的研究中，我們通過(guò)光學(xué)測量間接推斷核極化的存在，因為我們無(wú)法測試是樣品整體極化還是只有非常接近NV中心的核被極化。通過(guò)完全消除對磁場(chǎng)的需要，我們現在能夠用NMR直接測量大塊樣品。

　　在《Nature Communications》的文章里，Pines, King和其他共同作者說(shuō)，可以有效地集成到現有的制造技術(shù)并創(chuàng )造高表面面積金剛石器件的超極化金剛石應該可以為極化轉移提供一個(gè)通用的平臺。

　　“我們希望利用現有的極化轉移技術(shù)——如固體中的交叉極化和液體中的交叉弛豫，或NV中心外圍核的直接動(dòng)態(tài)核極化——來(lái)得到液體和固體的高度增強核磁共振,”King說(shuō)，應該注意到，這種轉移到固體表面和液體的極化轉移之前已經(jīng)被Pines的研究團隊用激光極化Xe-129論證過(guò)�！蔽覀兓�于光學(xué)極化NV中心的超極化技術(shù)更為強大和有效，應該適用于任意的目標分子，包括必須保持在接近室溫條件下的生物系統�！�