動態核極化DNP核磁共振

DNP-NMR

【綜述】

動態核極化（DNP）NMR通過轉移電子自旋儲能器的波耳茲曼（Boltzman）極化來增強NMR的信號強度，而大大提高了NMR檢測靈敏度、縮短了實驗時間。DNP-NMR譜儀系統滿足在生物分子、材料科學以及藥物研究領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實驗

u  極化增強可使檢測靈敏度最高提升200倍

【簡介】

固體核磁共振技術（Solid State NMR）可以用于生物蛋白、化學材料以及藥物等固體材料的結構解析及其動力學研究，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的應用。動態核極化（DNP）可以通過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大于核自旋極化，因此可以顯著提高NMR技術的檢測靈敏度，提高倍數可達幾十到幾百倍。這樣我們利用固體 DNP-NMR技術就可以得到傳統固體核磁共振技術需要在超高場強下才能觀察到的更加詳細的結構信息。目前，固體 DNP-NMR技術已經在生物膜蛋白、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展。

▲丙酮酸（13C）的13C-DNP譜圖；來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，同時能在不同范圍的水溶劑中保持相當水平的溶解度。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，無法推動DNP增強。

在溶劑中溶解自由基是制備DNP實驗樣品的第一步。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重要。例如，如果在樣品中使用蛋白質，則該蛋白質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，大多數卻是通過一種自由基溶液進行離心。較高濃度的自由基可達到約10 mM。可能需要用含大量脂質的樣品來降低甘油，因為這些脂質通常含有它們自己的低溫保護劑特性。

在用布魯克固態DNP-NMR波譜儀制備實驗樣品的過程中，研究人員首先從質量相當于全轉子質量的固態粉末樣品開始。然后，將溶劑緩慢添加到固態樣品中，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。可添加更多樣品以降低濕度，繼續確保混合物保持糊狀稠度。然后將這種糊狀混合物填充到整個轉子中，以進行NMR實驗。

【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：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在樣品上使用自由基。在低溫（100至120開爾文）、MAS下測量樣品，然后進行NMR實驗。

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過濾器之后，自旋擴散顯示出細胞壁多糖和expansin之間的相關性。

【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的一些優點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的成像技術具有顯著優勢，因為剔除了背景信號的影響，13C的化學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T1衰減，研究人員正在建立長壽命的核狀態，有望在幾分鐘甚至幾小時的時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T1時間。研究顯示，其中一個或多個化合物超極化在同一個樣本，從而同時探測多種途徑。

【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的發展也是一個活躍的研究領域。

【DNP的氘化溶劑】

對于DNP實驗，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13C核和其他核超極化的時間。極化過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】

在固態低溫條件下獲得的DNP實驗得益于連續微波輻照，因此可以進行未經修飾的固態核磁共振實驗(如CPMAS 2D實驗)。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量。