DNP-NMR：动态核极化核磁共振系统

DNP-NMR 简介

动态核极化（DNP）是一种用于增强核磁实验灵敏度的技术。它涉及将极化从高极化电子自旋转移至样品中的核自旋，导致核磁信号强度显著增加。

DNP的基本原理是利用未成对的电子自旋，通常存在于稳定的自由基或顺磁性物种中，将它们的极化转移到附近的核。这个过程通过微波辐射、强磁场和低温的组合来实现。

样品通常通过将自由基和样品纳入玻璃质溶剂基质中来制备。自由基的未成对电子是极化的源头，在给定磁场和温度下比1H核极化增强了660倍。对于DNP，样品通常在NMR波谱仪中冷却到100K左右。低温提高了极化源的极化度，并抑制了热自旋弛豫过程，以保持将极化转移到生物分子和制药感兴趣的各种核（1H、13C、15N、31P、19F等）以及许多其他在材料应用中常见的核。

随后，将微波以特定频率（例如，对于400 MHz的核磁共振波谱仪，为263 GHz）施加到样品上。这会导致耦合电子-核自旋态之间的跃迁，并产生核自旋极化的积累。这是DNP的基本过程，因此可以将其视为耦合NMR / EPR（电子顺磁共振）实验。可用于实现电子到核极化转移的各种机制，包括Overhauser效应（OE）、固体效应（SE）或交叉效应（CE），具体取决于可用的电子自旋和磁场或微波频率的微调。

结果是，与没有DNP的相同温度实验相比，NMR信号强度高达200倍（在有利情况下，甚至可以高达200倍以上，理想值为660倍）。对于灵敏度受限的应用场景，这样的信号增益相当于与信号平均方法相比高达40,000倍的时间节约。

这样的巨大收益让我们可以研究以前无法检测的样品，范围从细胞内分子相互作用的阐明，到复杂的纳米级递送系统中药物成分的定位，到对尖端电池材料中埋藏界面的探究。

布鲁克的 DNP-NMR 波谱仪

布鲁克的DNP波谱仪由全新的AVANCE NMR机柜和NMR磁体、微波源、特殊的DNP探头和低温MAS（LT-MAS）冷却系统组成。

NMR磁体可以配备扫场线圈，使用户能够在所需范围内改变B0场，以调整DNP匹配条件到微波频率。

对于微波，布鲁克提供400-900 MHz NMR的回旋管源，如图1所示；或者仅在400 MHz时提供速调管选项，如图2所示。在所有情况下，低损耗传输线将微波传输到NMR探头的底部。

布鲁克的DNP-NMR探头配备了波导管，用于将微波传输到NMR样品，并在样品附近进一步优化高效微波耦合，这些都有助于实现最佳极化和非常有限的样品加热。

探头和布鲁克的LT-MAS控制柜共同提供极其稳定的LT-MAS操作，具有完全自动化的旋转控制、在探头处于冷状态时方便的样品插入/弹出，并通过布鲁克出色的波谱仪控制软件Topspin™实现远程用户访问。

布鲁克带有回旋管微波源的DNP系统的示意图如图1所示，带有速调管微波源的示意图如图2所示。实际安装的照片如图3所示。

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布鲁克的 DNP 探头

布鲁克DNP-NMR探头的上部区域如图4和图5所示。微波与样品的高效耦合始于镜子和发射器，它们与MAS锭子相邻，转子在锭子内旋转，同样通过管理光束聚焦和反射来促进DNP。图4左上角还显示了创新的转子插入/弹出机制。这些优化在小转子直径的探头中尤为关键，其中特殊设计将光束尺寸精确匹配到转子横截面，从而产生了任何商业系统中可用的最佳DNP增强效果。此外，DNP-NMR探头在实验期间能够达到和维持通常在95-100 K的低温，并且即使在最具挑战性的最快旋转和全微波功率情况下，也能在该范围内保持5-10 K的温度。

布鲁克的LT-MAS DNP探头范围是根据生物分子、小分子和材料应用的需求量身定制的。相应的转子直径和低温旋转速率如下表所示。尽管与室温MAS相比，低温旋转速率自然降低，但旋转仍提供良好的分辨率。

布鲁克的LT-MAS柜提供气流的温度控制，为MAS（1）驱动、（2）托举和（3）VT（变温）提供三个低温冷却气通道。布鲁克的LT-MAS柜与布鲁克行业领先的MAS控制单元无缝耦合，具有标准固体核磁的完整操作便利性和可靠性。LT-MAS柜的控制还完全集成到TopSpin™软件中，实现远程访问和其他舒适功能。

在DNP-NMR系统中使用的NMR探头通常是三共振（H / X / Y）的，用户可以设置多种X / Y配置以涵盖广泛的核。特殊的非标准探头配置可应用户要求提供，例如，质子通道可调谐到氟（即H-F / X / Y）的探头，以解决制药、生物和材料化合物中19F的现代应用。另一个特殊配置的例子是，在H / X（例如H-F / X）探头上可以应用选项，其中双共振探头的X通道针对低频核（即NMR频率低于15N的核），是材料研究中的有力工具。布鲁克还可应用户要求提供各种静态（非旋转）应用选项，已应用于研究包括定向生物分子晶体、聚合物和电池材料。

微波源

布鲁克的微波源是DNP的关键技术之一。它们提供所需的卓越频率和功率稳定性，以实现可重复的DNP增强。NMR和微波频率通过质子和电子自旋的旋磁比相联系。下表显示了布鲁克DNP-NMR产品线中回旋管（400-900 MHz）和速调管（仅263 GHz / 400 MHz）之间的对应关系。

速调管是400 MHz时一种多功能、可靠且具有成本效益的选择。如图2所示，它的占地面积比回旋管小得多。回旋管需要自己的超导磁体，通过加速真空电子束提供微波输出，其频率是电子束中的电子的回旋共振的倍数。

速调管也利用真空电子束，但与此相反的是，它通过电子束与阶梯式腔体的交互作用产生微波，该腔体的梯级间距为所需微波输出波长的固定分数。这种精细的内部结构将速调管的功率输出限制在263 GHz时接近5 W的水平，并且在实践中，防止其应用于更高的频率。尽管如此，对于400 MHz NMR，5 W功率下的DNP增强效果达到了使用回旋管（> 10 W）的全功率可达到的70％以上，对于转子直径小于3.2 mm的探头，增强效果甚至更高。图5显示了Bruker 263 GHz速调管，紧凑地安装在400 MHz NMR磁体的下方。

如前所述，布鲁克从400 MHz到900 MHz的回旋管提供了实现最大DNP效益所需的全功率。所述的电子/磁场相互作用（回旋共振）可轻松应用于我们产品线的全频率范围（263 GHz到593 GHz）。这需要回旋管磁体的磁场（4.5-10.9 T）随着频率线性上升。重要的是，回旋管磁场大约是目标NMR磁场的一半。这是由于先进的回旋管设计，它在大约两倍于回旋频率的2倍频微波产生中利用了回旋共振。这使得所需磁体比通常更紧凑。布鲁克行业领先的无液氦回旋管磁体设计采用脉冲管冷却器，具有长达8年的更换间隔，可实现轻松操作且不受液态制冷剂的限制。

DNP-NMR的极化试剂

正如布鲁克不断改进和扩展DNP仪器，我们的用户也在积极研究基于自由基化学的方法，以增加极化试剂可用程度。自由基提供电子自旋，与微波和磁场相互作用，将其强烈的自旋极化转移至弱极化的核自旋，从而实现超灵敏的NMR。然而，该DNP过程的质量取决于自由基的化学结构和环境条件。

早期的DNP方法依赖于具有单个自由基电子的分子，适用于OE或SE DNP。后来，稳定且商业化的双自由基分子广泛用于水溶性（AMUpol）和有机（TEKpol）应用。双自由基分子中两个空间分离但磁耦合的电子，实现了一种新的DNP机制，即交叉效应（CE），在许多应用中带来了更大的灵敏度增益。类似AMUpol和TEKpol的双亚硝基化合物在400 MHz的DNP中具有惊人的增强效果，但如图6所示，在600、800和900 MHz的NMR的DNP中，它们的性能会逐渐降低。

化学创新产生了一代自由基，包括“混合”双自由基，如HyTEK2、cAsymPolPOK和TEMPtriPOL，其中包括一个具有窄EPR谱和一个具有宽EPR谱的自由基。这些极大地提高了600-900 MHz NMR的DNP增益（如图6所示），并承诺在更高的磁场下继续实现未来DNP应用的最佳性能。

自由基和样品的质量评估

所有DNP实验室都可以利用布鲁克方便且紧凑的ESR5000台式电子顺磁共振波谱仪。这是DNP-NMR系统的绝佳伴侣，特别是用于定量评估自由基浓度。

ESR5000上的“SpinCount”方法是一种自动化程序，可在样品制备后快速预测DNP性能。它还有助于评估旧样品中的自由基降解或在还原环境中使用（例如，在细胞内DNP中）。SpinCount适用于材料和溶剂化样品（水性或有机性），用于储备溶液或直接评估样品的最终形式：密封的LT-MAS转子。详细信息请参见此处。

ESR5000也是一台完全功能的X波段EPR波谱仪，具备分析和模拟工具，以补充先进的波谱采集。评估电子自旋弛豫、电子间偶极耦合和EPR跃迁的功率依赖饱和都是DNP性能的先进预测器。此外，低温附件使得可以从77K到室温进行测量，覆盖了绝大多数DNP NMR条件。

从标准用户到极化剂的资深开发者，任何DNP实验室都可以从ESR5000的多功能性、可靠性和便利性中获益。

高分辨率和DNP增益使得最前沿的生物分子应用成为可能。

先进的DNP设备和更新的极化剂都使得最前沿的应用成为可能，就像这种情况下的Aβ1-42一样，这是一种与阿尔茨海默病起病有关的蛋白质片段。DNP增强的13C-13C相关谱揭示了蛋白质分子内的结构相互作用。

右上方的插图强调了22倍的DNP增益，如果没有这个增益，收集这个二维谱所需的几个小时将扩展到一个500倍更长的实验（222），这是完全不切实际的持续时间。请注意，尽管存在许多具有挑战性的因素，包括完全质子化的蛋白质，但分辨率非常出色（在中央插图中突出显示）。

DNP和快速MAS实现精细的灵敏度和分辨率。

即使在非DNP NMR谱仪上，快速魔角旋转技术（例如，> 60 kHz旋转速率）已知为固体核磁中提供最高波谱分辨率的强大推动力和1H检测谱的强有力的推动力。后者相比13C检测提供了相当大的灵敏度增强。图10显示了一个DNP增强200倍的示例，超过了1H检测可提供的优势。这使得天然丰度13C（ 仅1.1％）样品的2D相关谱得以轻松实现。这就表明DNP可以用于无法进行同位素富集的一系列不同实验场景，例如研究许多制药化合物和天然产物。

该示例还展示了HyTEK2作为一个具有卓越的DNP性能的极化试剂的关键价值。这里的实验结果是在1H频率为900 MHz的谱仪上获得的，目前是全球安装的最高场DNP系统。

DNP在材料科学中的应用

被掩埋的界面、纳米级亚结构和稀释物种既是揭开现代材料新功能或导致其失效的神秘起源的实验目标，也是新一代产品设计所需改进的关键所在。DNP NMR通过将固体核磁的物理化学分辨率与DNP所提供的灵敏度增强相结合，打开了一个独特的窗口，揭示了这些微观结构的内部特征，而这些微量的结构信息通常会被大量存在的主体结构信息所掩盖。

一个关键的例子是电池研究。例如，枝晶结构可以显著损害电池的性能。锂金属DNP NMR有助于更好地理解枝晶形成。图11是带有和不带有DNP的锂金属DNP谱的示例，DNP NMR实现了对7Li NMR检测的60倍增强。这使得可以对负极和正极之间的固态电解质界面的各种组分进行复杂的NMR研究。DNP增强的锂信号可以直接观察电池中的枝晶和其他特征。此外，多核实验中，将锂自旋极化转移到其他核（如1H、13C和19F）已被用于研究固态电解质界面中的小分子添加剂，以防止枝晶形成。