理化科学实验中心高新分中心600 MHz动态核极化核磁共振波谱仪日前已完成安装调试，现开始面向校内广大师生及校外科研用户开放试运行。作为国内投入使用的第2台600 MHz动态核极化核磁共振波谱仪，将为化学、材料科学、新能源、生命科学、物理学等多领域研究提供关键支撑，显著提升我校固体核磁共振相关方向的科研创新能力。
图 1600 MHz动态核极化核磁共振波谱仪
一、仪器原理简介
固体核磁共振（NMR）测试技术是当代物质分析、结构鉴定的重要手段之一，它无损检测、可从原子尺度探测材料的结构等优势，使其在研究固体材料结构及微观物理化学过程中具有不可替代的作用。固体核磁共振技术广泛应用于物理、化学、生物、医药、材料、石油化工、食品等诸多方面。然而，传统核磁共振波谱受限于较低的原子核极化度，信号的灵敏度低，部分样品需要使用同位素富集来增强信号，极大地限制了固体核磁共振的应用。
动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization，DNP）核磁共振是通过未成对电子自旋与原子核自旋之间的相互作用，将微波激发的电子自旋极化转移到原子核上，从而增强原子核的磁共振信号的技术。由于可以获得几十到几百倍的灵敏度提升（在 600 MHz、100 K 条件下，电子极化转移至质子核，理论增强因子 P(e-)/P(1H)约为 660 ），极大地缩短了采样时间，（通常DNP信号增强倍数为20-400倍，相比普通核磁，达到相同信噪比的采样时间缩短400-16万倍）。在DNP技术的帮助下，可以实现天然丰度下的稀核检测，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微弱的结构信息，进一步扩展了固体核磁共振的应用领域。
DNP谱仪主要由以下几部分构成：NMR磁体，NMR机柜，微波源，低温探头，微波传输管，冷却系统。
图 2DNP谱仪主要设备示意图
600 MHz DNP谱仪的微波源为回旋管（Gyrotron）。电子枪发射的电子束在外部强磁场（由7.2 T超导磁体提供）的作用下，绕磁力线做高速螺旋（回旋）运动。电子在谐振腔内与高频电场相互作用。由于相对论效应，失去能量的电子回旋频率变快，得到能量的电子变慢，导致电子在回旋轨道上发生“群聚”，群聚后的电子束将动能转化为电磁波能量，从而产生高功率的微波输出。
微波传输管将回旋管与 DNP NMR探头连接在一起，通过圆形波纹状波导可将395GHz频率的微波传输到样品上。
低温冷却系统提供100 K的实验温度，低温提高了极化源的极化度，并抑制了热自旋弛豫过程。在这一条件下，微波激发样品中自由基的电子，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。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。
二、 设备主要参数
1. 磁体：ASCEND 600 DNP超导磁体，磁场强度14.1 T，具备扫场功能。
2. 射频发射系统：发射通道数量：3个；质子通道最大输出功率：500 W；多核通道最大输出功率：1000 W/500 W；
3. 回旋管微波源：395GHz连续波微波源，7.2 T磁体，最大输出功率 20 W；
4. LTMAS探头超低温制冷单元：液氮制冷，样品温度可降至100 K；
5. 探头：
3.2 mm三共振DNP固体探头
检测核：1H，共振频率在109Ag ~ 31P之间的所有核，最高转速：24 kHz（常温）；15 kHz（100 K），探头变温范围：100 K~室温；
1.3 mm三共振DNP固体探头
检测核：1H，共振频率在15N ~ 31P之间的所有核，最高转速：67 kHz（常温）；40 kHz（100 K），探头变温范围：100 K~室温；
4mm BB/1H-19F WVT高温固体探头
检测核：1H，19F，共振频率在15N ~ 31P之间的所有核，最高转速：15 kHz，探头变温范围：-120 ℃~300 ℃。
三、应用举例
1. 在生物学领域的应用：DNP核磁共振显著缩短了实验时间，能够以原子级分辨率解析那些在传统NMR中因信号太弱而无法观察的复杂体系
1）蛋白质与生物大分子的结构解析
图 3DNP增强的13C-13C CORD-RFDR谱，显示了1,3-13C2/2-13C/15N标记的M0Aẞ1-42淀粉样纤维在1.3毫米转子中以40 kHz旋转，并在T = 115 K下进行。使用M-TinyPol作为极化剂，在800 MHz下进行采集，PNAS 2022 Vol. 119 No. 1 e2114413119。
2) 细胞内 NMR (In-cell NMR)
图 4DNP 能够检测活体细胞样品中含量极低的生物标志物或药物代谢产物，J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6734−6741。
2. 在材料学领域的应用
1）表面信号增强：由于极化转移的距离限制，DNP核磁可以选择性增强材料表面物种的核磁信号，对于检测催化剂活性位点或表面改性结构有独特的优势。
图 5利用表面增强DNP NMR检测介孔材料中表面修饰的有机物种，J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 44, 15459–15461。
2）聚合物材料端基表征
图 6利用DNP NMR信号增强可以检测聚合物材料中占比较低的端基管能团，帮助理解聚合物合成及改性机理，ACS Macro Lett. 2013, 2, 8, 715–719。
3）电池材料研究
图 7 利用表面增强DNP观察锂电池材料中SEI组分的变化，Nat. Commun. 11, 2224 (2020).
4) 天然丰度样品检测：DNP能够增强17O、15N等天然丰度低的核素的信号，在不使用同位素富集的方法就可以检测样品中氧，氮等元素的化学环境。
图 8介孔硅材料的自然丰度17O检测，J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 11535。
四、材料制备
DNP实验中使用的极化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。
将自由基传递到样品中，最有效的方法是采用溶液形式，同时要使用低温保护剂溶剂低温下保护样品，如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，则需要样品与自由基溶液混合离心的方式。制样时要提高自由基浓度同时减少甘油的量。
对于固体材料样品，通常采用浸渍法，将溶剂缓慢添加到样品中形成湿糊。然后将这种糊状混合物填充到转子中，进行实验。
五、试运行通知
目前600 MHz动态核极化核磁共振波谱仪已完成调试工作，各项指标达到要求，实现了标准样品149倍（3.2mm转子）/265倍（1.3mm转子）的信号增强。实验室配套了大型液氮储罐供氮气/液氮，可进行长时间连续DNP实验。
图 9脯氨酸-AMUPol标准样品（0.25 M U-13C-15N proline in glycerol-d8/D2O/H2O (60/30/10 volume ratio) with 10 mM AMUPol biradical）测试结果：左3.2 mm转子，魔角转速8kHz，增强倍数 149倍；右： 1.3mm转子，魔角转速15kHz，增强倍数265倍。
实验室位于高新校区2号学科楼D117室，试运行期间将面向校内及校外用户开放。本着“集中管理、资源共享，科研优先、兼顾培训，对外开放”的原则，理化科学实验中心将秉持饱满的工作热情和专业的服务态度，为广大用户提供高水平的分析测试服务。欢迎各位师生和科研人员垂询预约测试！
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