GHz核磁共振波谱仪

磁场强度是核磁共振波谱仪最重要的特性之一。磁场强度越高，色散（即 NMR波谱中两个峰之间的“距离”）越大。在研究具有大量峰值的物质时，较高的磁场可使不同的峰值相互分离，从而使 GHz 级核磁共振成为确定结构的宝贵工具。示例详见图 1 。

高场强的另一大优势是可以提高核磁共振实验的灵敏度。较高的场强会导致更多的样品核自旋处于较低能量的量子态，从而产生更强的核磁共振信号。这对多维核磁实验尤其有利，因为灵敏度会随着维数的增加而增加。

多年来，高分辨率核磁共振受限于23.5 特斯拉的磁场中，相当于 1.0 GHz 的质子共振频率。这一限制是由金属低温超导体 (LTS) 的物理特性设定的，2009 年，法国里昂超高场NMR中心的 Avance® 1000 波谱仪首次达到这一场强。

20世纪80年代首次发现的高温超导体（HTS）为我们打开了在低温下达到更高场强的大门，但是钇钡铜氧磁带制造技术以及超导磁体技术方面的巨大挑战使得超高场的发展变得十分艰巨，直到最近才有所突破。

布鲁克独有的 1.1 和 1.2 GHz 核磁共振磁体采用新型混合设计，磁体内部采用先进的高温超导体 (HTS) ，外部采用低温超导体 (LTS)。Ascend 1.1 和 1.2 GHz 是稳定的标准腔 (54 mm) 磁体，其磁场均匀性和稳定性非常好，符合高分辨率核磁共振的苛刻要求。1.2 GHz 波谱仪可配备不同的超高场探头，包括用于液体核磁的 CryoProbes 和快速魔角旋转固体核磁探头。

GHz 级核磁共振具有更高的分辨率和灵敏度，是许多研究领域，特别是材料科学和结构生物学领域的理想工具。GHz核磁共振的主要优势如下：

• 样品需求更少： 由于灵敏度提高，超高场核磁共振通常只需要少量样品，这对于稀有和有限的样品尤其有利。
• 原子级分辨率： GHz 级核磁共振可提供出色的原子级分辨率。对于生物样品而言，这一点对于中小型蛋白质尤为明显。
• 溶液状态信息： GHz 级核磁共振可在溶液中工作，从而深入了解生物分子在更接近其原生环境的条件下的行为，这对于了解其生物功能至关重要。
• 动态结构分析： GHz 级核磁共振非常适合研究溶液中生物分子的动态和运动，从而深入了解构象变化、灵活性和相互作用。这种动态研究能力尤其有助于了解蛋白质的折叠、功能和相互作用。
• 研究配体相互作用的能力： 超高场核磁共振非常适合研究蛋白质与小分子之间的相互作用，可对结合位点和动态进行详细分析，这对药物发现和设计至关重要。

布鲁克公司的 GHz 级核磁共振波谱仪有多种NMR探头可供选择，包括用于液体核磁的 CryoProbes 探头和快速旋转 MAS 固体核磁探头。布鲁克 GHz 级核磁共振波谱仪最常用的探头如下：

• TCI CryoProbe三共振反向超低温探头具有专门的 H、C 和 N 通道和冷却前置放大器。它们配有氘锁场通道和梯度线圈。
• TXO CryoProbe三共振正向超低温探头，具有 H、C 和 N 的专用通道和冷却前置放大器。它们配备了一个氘锁场通道和一个梯度线圈。
• TXI 三共振反向室温探头具有 H、C 和 N 的专用通道，以及一个氘锁场通道和一个梯度线圈。
• BBI 双共振室温探头有一个质子通道、一个宽带通道、一个氘锁场通道和一个梯度线圈。它们使液体 GHz 级波谱仪的用途特别广泛，因为宽带通道大大扩展了可探测的原子核范围。
• GHz 级波谱仪在固体核磁方面的优势尤为明显。布鲁克提供多种 CPMAS 探头。对于 GHz 级波谱仪，通常采用旋转速度最快的探头（即用于 0.7 mm、1.3 mm和 1.9 mm转子的探头）。最常见的探头是三共振探头（HCN）以及主要用于材料科学的探头（HX）。
• 布鲁克著名的磁共振微成像探头也可用于 GHz 级波谱仪。磁共振微成像用于对小型样品进行成像。使用 GHz 级波谱仪可以获得最高的空间分辨率或空间局部化学信息。

随着 GHz 级波谱仪的推出，核磁共振研究进入了一个崭新的时代，这种仪器具有出色的分辨率和灵敏度，可用于研究复杂的生物系统和材料。欧洲一直走在这一创新的前沿，欧洲大陆已有多台 1.2 GHz 核磁共振系统投入使用。美国和亚太地区也在大力推广这项技术，美国拥有第一台 1.2 GHz 核磁共振，日本拥有第一台 4.2 K 单层 1.0 GHz 核磁共振。这些地区正在安装或计划安装更多的 GHz 级核磁共振，这反映出人们对这一功能强大、用途广泛的科学发现工具的需求和认可在不断增长。

深入了解为何目前多家行业领先的研究机构选择布鲁克的GHz级核磁共振波谱系统支持他们的科研项目：

2019 年，布鲁克在田纳西州孟菲斯的St. Jude's 儿童研究医院成功安装了世界上首台1.1 GHz NMR 波谱仪系统。

St. Jude's 儿童研究医院结构生物学部主席Charalampos Kalodimos 博士表示："我们很高兴能够收到世界上第一台1.1 GHz NMR波谱仪，这将是我们在分子伴侣和蛋白质激酶等分子动力学机理研究领域开展研究最重要的工具。我们要对布鲁克取得的这一令人印象深刻的技术成就进行由衷地赞扬。”

不久之后，在2020年初，布鲁克在佛罗伦萨大学的欧洲核磁研究中心（CERM）安装了全球首台1.2GHz NMR系统。CERM 是欧洲结构生物学研究基础设施位于意大利的研究中心。

成功安装之后，CERM的Lucia Banci和Claudio Luchinat教授表示：“我们的实验室成功安装了世界上第一台1.2 GHz NMR 波谱仪，我们对此感到非常兴奋。我们期待着将该仪器用于我们对阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等神经退行性疾病，以及对癌症和病毒相关蛋白的结构和功能相关的研究。现在，我们正在积极地开展SARS-CoV-2蛋白相关研究工作，而且我们很快就能记录新冠病毒蛋白的第一个1.2 GHz核磁共振波谱！”

2020 年晚些时候，布鲁克在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）成功安装了世界上第二台1.2 GHz NMR 波谱仪。这台1.2 GHz 波谱仪是第一台配置为固体NMR 的波谱仪。

当时，ETH的 Beat Meier、Matthias Ernst 和Alexander Barnes 教授表示："我们非常兴奋能够将世界上第一台1.2 GHz 固体NMR 波谱仪成功安装在我们的实验室中。这台谱仪在几个月前刚刚交付，NMR 磁体的安装和升场工作进展得非常顺利。安装任务的完成标志着我们近十年前就开始与布鲁克的合作达到高峰。我们非常期待开始我们的第一个超高场固体NMR 实验。

ETH 将会利用这台1.2 GHz NMR 系统，开发新的固体NMR 技术，并应用这些技术研究化学材料和生物学体系，包括与帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病相关的蛋白质纤维。1.2 GHz 波谱仪还将作为进一步改进用于细胞内结构生物学研究相关核磁共振方法的平台，并研究固体催化剂和用于能量转换以及数据储存等的功能材料。

2021年初，布鲁克荣幸地宣布在德国哥廷根的马克斯普朗克生物物理化学研究所（MPI）成功安装了第四套 1.2 GHz 核磁共振系统，支持其研究团队对 SARS-CoV-2 核衣壳 (N) 蛋白有新的认识，并有助于加深对帕金森病和阿尔茨海默病的分子认识。

位于哥廷根的马克斯普朗克生物物理化学研究所所长兼科学成员 Christian Griesinger 教授评论说：“全新的 1.2 GHz 核磁共振波谱仪将使我们能够表征固有无需蛋白质（IDPs）的液滴和低聚物，它们是 COVID-19、神经退行性疾病和癌症等疾病的关键标志物，无法使用晶体学或低温电子显微镜进行研究。”

哥廷根大学教授、德国神经退行性疾病中心小组组长 Markus Zweckstetter 博士补充道：“我们在安装了新的超高场核磁共振系统后进行的首次实验重点研究了 SARS-CoV-2 核衣壳 N 蛋白，该蛋白与病毒-宿主相互作用和病毒复制生物学密切相关。病毒复制机制的液态特性与 N 蛋白的许多内在无序区相结合，使这项研究非常适合 GHz 级核磁共振。