动态核极化DNP核磁共振

DNP-NMR

【综述】

动态核极化（DNP）NMR通过转移电子自旋储能器的波耳兹曼（Boltzman）极化来增强NMR的信号强度，而大大提高了NMR检测灵敏度、缩短了实验时间。DNP-NMR谱仪系统满足在生物分子、材料科学以及药物研究领域的检测灵敏度需求，从而使其可以用于研究更多的新体系。

u  信号增强倍数在20到400倍之间

u  263GHz的速调管也可用于400 MHz的DNP实验

u  极化增强可使检测灵敏度最高提升200倍

【简介】

固体核磁共振技术（Solid State NMR）可以用于生物蛋白、化学材料以及药物等固体材料的结构解析及其动力学研究，但是由于很多NMR活性核具有较小的核磁矩和较低的天然丰度导致其检测灵敏度很低，这就限制了固体核磁共振技术的应用。动态核极化（DNP）可以通过微波照射与极化试剂混合的样品将电子自旋的极化传递给周围的核自旋，由于电子自旋极化远大于核自旋极化，因此可以显著提高NMR技术的检测灵敏度，提高倍数可达几十到几百倍。这样我们利用固体 DNP-NMR技术就可以得到传统固体核磁共振技术需要在超高场强下才能观察到的更加详细的结构信息。目前，固体 DNP-NMR技术已经在生物膜蛋白、药物活性成分、高分子聚合物、锂电池、表面物种等结构解析及其相互作用研究方面取得了重要进展。

▲丙酮酸（13C）的13C-DNP谱图；来自德克萨斯州达拉斯UTSW医疗中心

【样品制备】

制备样品需要一些工具，包括 DNP-NMR波谱仪、转子和适当的样品溶剂。此外，必须存在不成对的电子，尤其是自由基必须添加到样品中，以使DNP功能正常。

在DNP实验中使用的偏光剂通常是基于氮氧化物的自由基，非反应性基团，通常能够耐受氧化，同时能在不同范围的水溶剂中保持相当水平的溶解度。最常见的基于氮氧化物的自由基包括AMUPol、TEMPO和TOTAPOL。理想情况下，样品的浓度范围为5-20 mM。如果浓度太低，则可能存在的电子太少，无法推动DNP增强。

在溶剂中溶解自由基是制备DNP实验样品的第一步。要将自由基传递到样品中，有效的方法是采用溶液形式。使用低温保护剂溶剂对于在低温下保护样品至关重要。例如，如果在样品中使用蛋白质，则该蛋白质可能需要在低温下置于冷冻保护剂溶剂中，以防止由于冰晶的形成而导致蛋白质变性。

如果样品不溶于水溶液，如膜蛋白和纤维，则需要采取进一步的步骤使自由基均匀分布。虽然自由基存储溶液有助于这些样品的混合或混悬，大多数却是通过一种自由基溶液进行离心。较高浓度的自由基可达到约10 mM。可能需要用含大量脂质的样品来降低甘油，因为这些脂质通常含有它们自己的低温保护剂特性。

在用布鲁克固态DNP-NMR波谱仪制备实验样品的过程中，研究人员首先从质量相当于全转子质量的固态粉末样品开始。然后，将溶剂缓慢添加到固态样品中，将样品和溶剂混合在一起形成湿糊。这种糊状物应该略稠，不含多余的水分。可添加更多样品以降低湿度，继续确保混合物保持糊状稠度。然后将这种糊状混合物填充到整个转子中，以进行NMR实验。

【应用】

²  生物固体材料的DNP-NMR：小型肽、膜蛋白和可溶性蛋白增强。

²  材料科学：在分子水平上，布鲁克的DNP-NMR波谱仪可用于表征通常用于药物输送、纯化设备和催化的杂化二氧化硅材料。

²  13C脯氨酸的DNP增强SPMAS：将极化剂加入共享溶剂或通过在样品上使用自由基。在低温（100至120开尔文）、MAS下测量样品，然后进行NMR实验。

²  Expansin蛋白与植物细胞壁的结合：布鲁克 DNP-NMR波谱仪可使用REDOR过滤器从expanin 13C信号中选择信号，从而帮助检测与植物细胞壁混合的expansin。在REDOR过滤器之后，自旋扩散显示出细胞壁多糖和expansin之间的相关性。

【其他超极化方法和应用】

仲氢诱导极化（PHIP）将极化直接从对氢(para-H2)转移到附近感兴趣的核或使用射频基磁化转移方法。对于有机分子，对h2可以直接通过不饱和碳-碳键加入，也可以在极化可以从para-H2转移到分子内位的条件下与样品混合。与DNP相比，PHIP的一些优点是可以很快获得极化样品(在秒或分钟的量级上)，并且不需要自由基掺杂剂。

代谢成像-使用DNP和PHIP获得的信号增强可以用于检测体内1H、13C和15N代谢。使用超极化13C富集有机分子的13C磁共振成像(MRI)比基于1h的成像技术具有显著优势，因为剔除了背景信号的影响，13C的化学位移范围使分子选择性增加。目前，人们将同位素富集的超极化底物用于医学成像，因为可以获得详细的代谢信息(底物定位和生化转化)和生理信息(例如，细胞内pH值)。人们对使用1-13C丙酮酸作为DNP底物，根据其转化为乳酸来区分健康组织和病变组织。虽然超极化自旋半核的信号增强随着T1衰减，研究人员正在建立长寿命的核状态，有望在几分钟甚至几小时的时间尺度上研究新陈代谢，而不是几秒。

【超极化富集底物】

青岛腾龙微波科技有限公司提供以下超极化富集底物，用于代谢研究以及PHIP和DNP实验。由于消除了13C-1H偶极弛豫，邻近13C核的氘的存在可能有助于延长T1时间。研究显示，其中一个或多个化合物超极化在同一个样本，从而同时探测多种途径。

【超极化气体】

3He和129Xe是用光泵方法超极化的，这些材料用于核磁共振成像来显示肺部的气流空间和阻塞。一种新的生物传感器，包括封装129Xe的发展也是一个活跃的研究领域。

【DNP的氘化溶剂】

对于DNP实验，在微波辐射期间和之后使用氘化溶剂有助于降低核弛豫速率，从而延长13C核和其他核超极化的时间。极化过程中使用的所有溶剂必须在低温下玻璃化，以确保自由基均匀地分散在固体样品中。

【贫13C氘化溶剂】

在固态低温条件下获得的DNP实验得益于连续微波辐照，因此可以进行未经修饰的固态核磁共振实验(如CPMAS 2D实验)。使用贫13C的氘化溶剂将大大减少或消除溶剂中不需要的13C信号，从而提高获得的光谱质量。