高场强DNP-NMR的发展

您能介绍一下高场强DNP增强的固态NMR吗？DNP是如何用于增强表面的NMR信号？

在DNP实验中，未成对电子的大极化被转移到核附近，提供了理论信号增强因子γe/γx，其中γe和γx分别为电子和极化核的回磁比（对于1H约为658）。DNP的理论是由Overhauser在20世纪50年代开发的，并由Slichter在锂金属上进行了实验性观测。80年代，DNP在煤、硅、金刚石薄膜和聚合物等材料上的首批应用见诸报道。当时，所有的实验都是在低场强下进行的，而极化源通常是样本固有的。在20世纪90年代初，Griffin及其同事引入了能够在高场强（>5 T）下为DNP实验提供高功率、高频微波的回旋管源，并将它们与低温MAS探针结合，从而在100K或更低温度下进行实验。大多数现代DNP实验是使用外部极化源（稳定的有机基团）来完成的。为了优化高场强DNP性能，最近引入了定制设计的自由基。在AMUPol或TEKPol系列中使用双氮氧自由基，其结构已经过特别设计以优化交叉效应的极化传递，在5 – 9.4T场强和约80 – 105K样本温度下，通常获得超过两个数量级的信号增强因子（在本体溶液中高达250）。

许多现代材料的性能，涉及沸石、金属有机骨架、氧化物、负载型有机金属催化剂，都与表面实体的精细结构有关。新材料的合理开发需要建立起结构-性能关系。如果不是因为NMR的检测极限太低，无法对许多现代材料进行检测，固态核磁共振（NMR）波谱理应成为表征表面的首选方法。常规固态NMR固有的低灵敏度，加之低活性位点含量，以及表面实体的常见的无序和多位点性质，意味着要求深入结构研究的复杂多核和多维实验对于表面来说并不实用。这个问题原则上可以通过DNP解决。在2010年与Lyndon Emsley教授（洛桑联邦理工学院，EPFL Lausanne）、Geoffrey Bodenhausen（巴黎高等师范学院，ENS Paris）和Christophe Copéret教授（苏黎世联邦理工学院，ETH Zürich）的合作中，我们已经在模型介孔二氧化硅材料上显示了DNP表面增强NMR波谱（DNP SENS）可以将表面的NMR信号强度增强一个数量级。DNP SENS现在已被应用于记录许多系统的一维和二维NMR波谱，包括多孔和非多孔材料、胶体和分子有机固体等。样本制备是DNP SENS的关键，并依赖于在材料中引入极化源（不成对电子）的可能性，在原理上是自由基。这应该在不稀释样本的情况下进行。我们使用的协议被称为初始润湿浸渍，包括在材料中加入几滴极化溶液。 对于多孔材料，溶液通过毛细作用填充孔隙，因此未发生样本稀释。而对于颗粒材料，溶液将简单地湿润颗粒的表面。在微波照射下，电子的极化被转移到溶剂的核（质子）上，然后通过质子自旋扩散，转移到表面质子上。引入了溶液，不仅在样本中加入极化源，而且还将超极化从极化源转移到靶核上。通常采用交叉极化步骤从而以高灵敏度观测低伽马自旋的表面NMR信号，如13C、15N、29Si、27Al等。信号增强因子通常介于10与200之间，并且转化为实验时间的惊人缩短，开启了前所未有的、全新的表面NMR前景。

为什么你们将DNP仪器既设置为低场强又设置为高场强？

我们的实验室中拥有两台DNP仪器，一台在400MHz质子频率（9.4Tesla/263GHz）下工作，而另一台在800MHz质子频率（18.8Tesla/527GHz）下工作。400MHz系统完全应用于DNP增强的表面和材料固态NMR。该仪器的性能极佳，具有稳健的探针，并能提供最高的信号放大因子。它是我们的重负荷波谱仪，并且非常适合于在较大范围的系统中的应用，对于这些应用所获得的波谱分辨率已经足够了。这也是我们通过研究新的极化源或引入新方法来推进DNP前沿的工具。在18.8T仪器中，我们的研究工作更具探索性，这主要是因为增强因子要低得多。如果使用氮氧化物双自由基，如TEKPol或AMUPol，从400MHz转到800MHz时，我们通常会损失4到10的增强因子。这是电子与核之间的极化传递所依赖的DNP机制（所谓的“交叉效应机制”）所固有的，因此，在高场强中，实际应用中很少有高于10或20的增强因子。这是当前高场DNP进一步发展和应用的瓶颈之一，开发适合于高场强的新一代极化源是我们的研究目标之一。我们正与马歇尔大学的Olivier Ouari博士和Paul Tordo教授的研究小组共同努力以实现这一目标。Overhauser DNP的最新结果极有前景，因为使用这种极化转移方案，可以在18.8T下实现超过100的增强。在许多应用中，高场强是必不可少的。一个明显的应用涉及高场强DNP增强四极核NMR，因为其四极核NMR谱线会在高场强中发生锐化，分辨率和灵敏度的增益与主磁场强度的平方成正比。高场强DNP的另一个关键应用领域是生物固体，在低磁场下其分辨率往往不足以进行针对特定位点的详细结构研究。

为什么说这是革命性的？

我们可能还没有完全认识到DNP增强固态NMR将在化学中，特别是在表面表征领域产生的影响。对于我们所做的许多研究，如果没有DNP提供的灵敏度增益，将是根本不可能的。例如，这涉及对功能化金属有机骨架、沸石、胶凝材料、配体封端纳米颗粒、表面有机金属催化剂等的详细研究。最近，L. Emsley教授和C. Copéret教授的小组利用了自由基设计上的进展，已经展示了DNP SENS首次确定出的表面实体的完整3D结构。这类方法将彻底改变未来我们表征表面物质的方式。利用原子分辨率对表面进行仔细观察是建立结构与性能之间关系、也是合理设计未来材料的一个重要步骤。DNP在药物研究上也有巨大的潜力，它能使NMR对复杂配方进行研究，而无需对其加以修改，只需研磨片剂并用非溶剂型极化溶液加以浸渍。可以直接探测API及其与赋形剂之间的相互作用，并测量域大小。这些创新的方法开辟了快速识别配方中的多晶形物和二次产品、以及原位NMR晶体学的新途径。

需要应对的主要挑战是什么？

仍有一些挑战需要应对，才能实现固态DNP的全部潜力，特别是对于极高场强磁场。正如已经讨论过的，主要挑战之一在于设计新的极化源，适用于高场强DNP的新自由基。目前的双氮氧自由基通常能在18.8T下达到10与40之间的增强因子，这与理论上660的质子因子相差甚远。目前正致力于设计适用于高场强DNP的自由基。有多个研究群体活跃于这一个研究领域，其中也包括我们。另一个挑战是样本制剂本身，特别是对于生物样本，必须能够在高温下承受DNP实验，以便获取波谱分辨率或研究动态过程。. 未来的关键进展还将涉及仪器，1）随着极快的魔角旋转探头的发展，能够在低温下旋转的小直径转子。快速MAS探针的出现总会在固态NMR的发展历程中引入新的视角，这在DNP环境中也是同样的。目前的1.3mm原型可让样本旋转到40kHz，并且我们已经在生物固体和材料的分辨率以及相干性寿命方面展现出了显著的提高; 2）随着探针的发展，即使在低于100K的温度下，探针也能工作；3）脉冲DNP法的发展；当然还有4）微波源的进一步发展。

探头发展方面的主要挑战是什么？

不错，探头的发展将在100K以下实现更快的MAS，同时，在高场强下更强的微波穿透肯定会在不久的将来成为主要挑战之一。

技术的进步让一切变得更快、更敏感。你认为这些发展会使DNP更易访问吗？

是的，所有这些硬件方面的发展将必然导致低成本系统的引入，越来越容易处理和维护，并将使DNP对于学术界和工业界都更易于访问。同样，新的、基于DNP的表征方法和协议的引入目前正在为该领域带来革命性的变革。

关于Anne Lesage

我在里昂的极高场强NMR中心工作，该研究所是分析科学研究所的一个研究单位（UMR 5280），隶属于CNRS（国家科学研究中心）、UCBL（里昂克劳德伯纳德大学）和ENS de Lyon（里昂高等师范学院)。 我目前负责“NMR材料”小组。1992年，我在法国巴黎中央理工学院获得工程硕士学位；随后于1995年在里昂IPCP获得博士学位，在那里我通过溶液NMR研究蛋白质结构。1994年，我在里昂高等师范学院化学系获得了一个CNRS的职位，在那里我与L. Emsley教授合作了20多年，专注于面向固体化合物结构与动力学研究的固态NMR新方法的开发与应用。我们和其他人一起建立了这个NMR中心，目前它拥有7台波谱仪，包括世界上首个1GHz系统以及3个DNP系统。