動(dòng)態(tài)核極化DNP核磁共振

DNP-NMR

【綜述】

動(dòng)態(tài)核極化（DNP）NMR通過(guò)轉移電子自旋儲能器的波耳茲曼（Boltzman）極化來(lái)增強NMR的信號強度，而大大提高了NMR檢測靈敏度、縮短了實(shí)驗時(shí)間。DNP-NMR譜儀系統滿(mǎn)足在生物分子、材料科學(xué)以及藥物研究領(lǐng)域的檢測靈敏度需求，從而使其可以用于研究更多的新體系。

u  信號增強倍數在20到400倍之間

u  263GHz的速調管也可用于400 MHz的DNP實(shí)驗

u  極化增強可使檢測靈敏度最高提升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構解析及其動(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致其檢測靈敏度很低，這就限制了固體核磁共振技術(shù)的應用。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?chē)暮俗孕?，由于電子自旋極化遠大于核自旋極化，因此可以顯著(zhù)提高NMR技術(shù)的檢測靈敏度，提高倍數可達幾十到幾百倍。這樣我們利用固體 DNP-NMR技術(shù)就可以得到傳統固體核磁共振技術(shù)需要在超高場(chǎng)強下才能觀(guān)察到的更加詳細的結構信息。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、表面物種等結構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)自德克薩斯州達拉斯UTSW醫療中心

【樣品制備】

制備樣品需要一些工具，包括 DNP-NMR波譜儀、轉子和適當的樣品溶劑。此外，必須存在不成對的電子，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)驗中使用的偏光劑通常是基于氮氧化物的自由基，非反應性基團，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水平的溶解度。最常見(jiàn)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。

在溶劑中溶解自由基是制備DNP實(shí)驗樣品的第一步。要將自由基傳遞到樣品中，有效的方法是采用溶液形式。使用低溫保護劑溶劑對于在低溫下保護樣品至關(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劑溶劑中，以防止由于冰晶的形成而導致蛋白質(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。雖然自由基存儲溶液有助于這些樣品的混合或混懸，大多數卻是通過(guò)一種自由基溶液進(jìn)行離心。較高濃度的自由基可達到約10 mM?？赡苄枰煤罅恐|(zhì)的樣品來(lái)降低甘油，因為這些脂質(zhì)通常含有它們自己的低溫保護劑特性。

在用布魯克固態(tài)DNP-NMR波譜儀制備實(shí)驗樣品的過(guò)程中，研究人員首先從質(zhì)量相當于全轉子質(zhì)量的固態(tài)粉末樣品開(kāi)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。這種糊狀物應該略稠，不含多余的水分?？商砑痈鄻悠芬越档蜐穸?，繼續確?；旌衔锉３趾隣畛矶?。然后將這種糊狀混合物填充到整個(gè)轉子中，以進(jìn)行NMR實(shí)驗。

【應用】

2  生物固體材料的DNP-NMR：小型肽、膜蛋白和可溶性蛋白增強。

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、純化設備和催化的雜化二氧化硅材料。

2  13C脯氨酸的DNP增強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(kāi)爾文）、MAS下測量樣品，然后進(jìn)行NMR實(shí)驗。

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

【其他超極化方法和應用】

仲氫誘導極化（PHIP）將極化直接從對氫(para-H2)轉移到附近感興趣的核或使用射頻基磁化轉移方法。對于有機分子，對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轉移到分子內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獲得的信號增強可以用于檢測體內1H、13C和15N代謝。使用超極化13C富集有機分子的13C磁共振成像(MRI)比基于1h的成像技術(shù)具有顯著(zhù)優(yōu)勢，因為剔除了背景信號的影響，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學(xué)成像，因為可以獲得詳細的代謝信息(底物定位和生化轉化)和生理信息(例如，細胞內pH值)。人們對使用1-13C丙酮酸作為DNP底物，根據其轉化為乳酸來(lái)區分健康組織和病變組織。雖然超極化自旋半核的信號增強隨著(zhù)T1衰減，研究人員正在建立長(cháng)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。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(cháng)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】

對于DNP實(shí)驗，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(cháng)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)驗得益于連續微波輻照，因此可以進(jìn)行未經(jīng)修飾的固態(tài)核磁共振實(shí)驗(如CPMAS 2D實(shí)驗)。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，從而提高獲得的光譜質(zhì)量。