提出一种超化学交换饱和转移减谱技术，用于检测隐藏在基线信号下的微弱且宽频信号，并利用超极化129Xe核磁共振技术拓宽可分析材料的范围

《ChemPhysChem》：Proposition of Hyper-Chemical Exchange Saturation Transfer Subtraction Spectroscopy to Detect Very Weak and Broad Signals Hidden Under Baseline and Widen Range of Materials Accessed by Hyperpolarized 129Xe NMR

化学交换饱和转移（CEST）光谱结合循环超极化系统与停止流方案，有效检测到聚酰亚胺中宽泛（96 ppm，11 kHz）的氙-129信号，并通过化学位移分析推断其纳米级自由体积（约0.51 nm）。该技术还揭示了老化明胶胶囊中氙原子所处的低场化学位移变化（3-4 ppm），表明材料结构紧缩。摘要：通过开发HCSS技术，结合循环超极化与停止流方案，成功检测宽泛弱信号，测定聚酰亚胺中氙原子化学位移206.5 ppm，揭示纳米级自由体积，并发现明胶胶囊老化导致化学位移低场偏移。

　　NMR（核磁共振）技术在研究材料的动态特性、结构和功能方面具有重要意义，特别是在探索聚合物中的空隙空间（也称为自由体积）时。这种空隙空间直接影响材料的物理性质，如电导性、传输性能、粘度以及热反应性。传统的NMR方法在检测某些弱信号或宽谱线时存在局限性，因此需要开发新的技术手段以提高检测的灵敏度和准确性。近年来，超极化（hyperpolarization）技术的引入极大地提升了NMR的性能，尤其是在检测稀有或低浓度物质时，如Xe（氙）原子。超极化技术能够显著增强信号强度，其增强因子可达热平衡状态下的五到六个数量级，为研究材料的微观特性提供了强有力的支持。

为了进一步提升超极化Xe NMR的性能，研究者提出了超化学交换饱和转移（hyper-CEST）技术，并结合了停止流动（stopped-flow）方案和减法模式（subtraction mode），从而开发出一种新的方法——超极化CEST减法光谱学（HCSS）。该方法在检测弱信号或宽谱线方面表现出色，特别是在聚酰亚胺（polyimide）等材料中。通过系统分析饱和频率对信号强度的影响，研究人员成功确定了这些信号的化学位移。这一技术的应用揭示了聚酰亚胺中嵌入Xe原子所处的受限动态环境，同时表明该材料的空隙空间非常狭小，这一发现得到了宽谱线和低场化学位移的双重支持。

在标准的超极化¹²⁹Xe光谱中，很难检测到聚酰亚胺中Xe的信号，但通过HCSS方法，研究人员发现了一条非常宽泛的谱线，其半高全宽（FWHM）约为96 ppm（11 kHz），对应的化学位移为206.5 ppm。这一结果不仅验证了HCSS在检测微弱信号方面的有效性，还表明该技术可以揭示材料中Xe原子所处的微观环境特性。此外，研究人员还应用了该方法到明胶胶囊（gelatin capsule）中，发现其信号强度较低，但通过HCSS方法成功观测到了弱信号，进一步证明了该技术的广泛适用性。

HCSS方法的减法模式在一定程度上抑制了基线信号的对称部分，有助于减少超极化系统中的波动和漂移效应，同时也能提升信号的稳定性。在分析实验数据时，这种方法的稳定性至关重要，尤其是在检测非常宽泛的谱线时，因为这些谱线的强度变化较小，容易受到噪声和漂移的影响。通过设定参考频率为基线信号的镜像点，可以有效抑制基线信号的干扰，从而提高信号的清晰度和精确度。

在本研究中，研究人员选择了聚酰亚胺和明胶作为模型化合物。聚酰亚胺因其高热稳定性、高强度、良好的绝缘性能以及在高温下的耐化学和耐辐射特性而受到工业界的青睐。它被广泛应用于电子设备的柔性印刷电路板、半导体元件的绝缘保护膜以及人造卫星和航天器的绝缘保护材料。明胶则因其多用途特性被广泛应用于制药行业，特别是作为软胶囊和硬胶囊的原料。此外，明胶还常用于食品工业中，作为多种食品的添加剂。

在实验过程中，研究人员采用了停止流动方案和连续循环的超极化系统相结合的方式，以确保Xe气体在进入样品时保持稳定。通过这种方式，Xe气体被直接导入到10 mm的NMR管中，其中包含约0.1克的聚合物样品。停止流动方案是观察稳定超极化CEST信号所必需的。为了保证气体流动的稳定性并避免可能的波动，当停止流动时，气体通过旁路进行传输。这一过程在实验中被详细记录，并通过图示说明。

此外，研究人员还采用了超极化CEST脉冲序列（sh2SatSub），该序列在之前的实验中已经开发完成。该序列的具体操作包括：1）在预延迟时间d1期间，将超极化气体导入样品，然后停止流动并切换到旁路通道；2）在饱和阶段，重复应用一定数量的脉冲（nprepul），脉冲宽度为p1，延迟时间为d2；3）在采集阶段，应用一定宽度的观察脉冲（pw），随后进行fid信号采集；4）在减法处理阶段，首先将新鲜气体导入，然后应用设定为参考频率的脉冲序列，将采集到的fid信号保存到计算机内存中；接着将新鲜气体再次导入，应用设定为测量频率的脉冲序列，将采集到的fid信号从计算机内存中减去。这一加减过程被重复执行，通过逐步改变测量频率以覆盖整个观测范围，最终得到饱和频率依赖性的结果。

通过这一方法，研究人员成功确定了聚酰亚胺中Xe的化学位移，并且发现随着存储时间的增加，该样品的化学位移呈现出低场偏移。这一现象表明，随着材料老化，其空隙空间可能会发生一定的变化，从而影响Xe的动态行为。此外，通过对比不同年份的明胶胶囊，研究人员发现其化学位移也发生了低场偏移，进一步支持了这一观点。这种偏移可能与材料老化过程中分子间交联的形成有关，导致空隙空间减小或蛋白质结构变紧。

本研究的结论表明，HCSS方法在揭示材料中嵌入的Xe原子的微弱信号和宽谱线方面具有独特优势，能够为材料的分子层面特性提供深入分析。这一方法不仅拓宽了¹²⁹Xe NMR的应用范围，还为学术研究和工业开发提供了新的工具。通过这种技术，研究人员能够更精确地评估材料的物理和化学特性，为新型材料的设计和优化提供依据。

在实验过程中，研究人员还进行了统计数据分析，以评估饱和频率依赖性的拟合效果。他们采用了基于Levenberg–Marquardt算法的最小二乘拟合方法，通过软件ORIGIN进行分析。这一方法在处理宽谱线时表现出色，能够有效减少噪声和漂移对结果的影响，从而提高信号的准确性和可靠性。

总之，本研究通过开发和应用HCSS方法，成功揭示了材料中Xe原子的动态特性，为研究聚合物的自由体积提供了新的视角。这一方法不仅提高了检测的灵敏度和准确性，还为材料的老化研究提供了新的工具。通过结合停止流动方案和连续循环的超极化系统，研究人员能够更稳定地获取数据，从而更好地评估材料的物理和化学特性。这些成果对于推动材料科学的发展具有重要意义，同时也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。