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。

DNP相关产品详情页：

Datasheet 263 GHz Klystron

Datasheet 263-395-527 GHz Gyrotrons

Datasheet LT-MAS Cabinet

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。

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。

布鲁克宽腔DNP-NMR探头（WM, 89 mm）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。

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。

Datasheets:

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8显示了布鲁克 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。

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。