取代富勒烯实现无取向光学核超极化：迈向高灵敏度MRI诊断新途径

《Nature Communications》：Substituted Fullerenes for Enhanced Optical Nuclear Hyperpolarization in Random Orientations

本刊推荐：研究人员针对传统三重态动态核极化(DNP)技术需要精确晶体取向的难题，开展了取代富勒烯作为极化剂的创新研究。通过化学修饰C60富勒烯两个位点抑制伪旋转现象，成功获得具有窄线宽和长弛豫时间(T1e)的极化剂，在无序取向体系中实现了14.2%的1H极化度。这项突破为无需低温条件和严格取向控制的高灵敏度MRI诊断提供了新方案。

　　

在医学诊断领域，磁共振成像(MRI)技术因其无创、无辐射的特点而备受青睐。然而，其灵敏度不足一直是制约其发展的瓶颈问题。动态核极化(DNP)技术通过将电子自旋的极化转移至核自旋，可显著提升MRI的检测灵敏度。传统DNP技术需要极端条件（6.7 T磁场、1.4 K低温）才能获得高电子自旋极化度，而基于光激发三重态电子的三重态-DNP技术可在更高温度下实现核超极化。但该技术面临一个关键挑战：为实现有效的极化转移，需要将掺杂极化剂的单晶样品精确取向在磁场中，这不仅操作繁琐，且难以在实际医疗场景中推广应用。

针对这一难题，日本多个研究机构联合团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。他们另辟蹊径，从分子设计入手，开发了一类新型极化剂——取代富勒烯，成功在无序取向体系中实现了高达14.2%的¹H核极化度，突破了10%的实用化门槛。

研究人员采用了一系列关键技术方法：通过高效液相色谱(HPLC)分离纯化不同取代模式的富勒烯衍生物；利用时间分辨电子自旋共振(ESR)技术在140 K条件下表征各衍生物的自旋弛豫行为；基于ORCA软件进行量子化学计算，分析势能面与伪旋转抑制机制；采用集成固体效应(ISE)序列在100 K条件下进行三重态-DNP实验，并通过¹H NMR信号评估极化效果。

取代富勒烯的设计策略与伪旋转抑制机制

研究团队选择富勒烯衍生物作为极化剂，因其大共轭结构导致较小的零场分裂(ZFS)参数，从而产生窄ESR线宽。然而，未修饰C₆₀因高度对称性导致伪旋转现象，使得三重态电子自旋-晶格弛豫时间(T_1e)过短（仅2.2 μs），无法满足ISE序列对弛豫时间的要求。通过系统研究单取代(ICMA)和双取代(ICBA)富勒烯衍生物，发现特定取代位点能有效抑制伪旋转。理论计算表明， equatorial、trans-3和trans-4型异构体具有单势阱势能面，且T₁/T₂态间最小能量交叉点较高，从而抑制了分子振动导致的ZFS主轴 fluctuation。

取代模式对ESR特性与自旋弛豫的影响

实验结果表明，双取代富勒烯的T_1e显著延长。特别是trans-3a异构体的平均弛豫时间(T_1e,ave)达到87.3 μs，较未修饰C₆₀提升近40倍。所有ICBA异构体均呈现接近100%的自旋极化度，这源于分子对称性导致的各向异性系间窜越(ISC)。ESR谱线宽均小于10 mT，远低于并五苯衍生物（约50 mT），确保更多自旋包络满足ISE序列的共振条件。

三重态-DNP性能验证

在无序取向的o-三联苯(OTP)玻璃基质中，ICBA trans-3a表现出最优的DNP性能。其¹H NMR信号初始增长梯度为1.83×10^-15s^-1，分别是并五苯和DTP的21倍和3.6倍。在部分氘化基质(OTP:[D₁₄]OTP=10:90 wt%)中，经过420 s极化后获得14.2%的¹H极化度，对应22,000倍的NMR增强因子，创下非晶材料的最高纪录。该值接近理论计算的三重态电子自旋平均极化度(21%)，表明极化转移效率接近极限。

1H极化积累曲线及最大极化度。(a)不同极化剂在OTP中的¹H NMR信号积累曲线；(b)ICBA trans-3a在部分氘化OTP中的极化积累曲线。'>

该研究通过分子对称性调控策略，成功解决了富勒烯类材料在三重态-DNP应用中T_1e过短的难题。取代富勒烯兼具窄ESR线宽和长弛豫时间的优势，在无序体系中实现了超越实用阈值的核极化度。这一突破为开发无需低温设备和精确取向控制的便携式超极化MRI仪器奠定了材料基础。未来通过进一步优化取代基团与基质相容性，有望实现生物相容性基质中MRI探针（如丙酮酸盐）的高效超极化，推动三重态-DNP技术走向临床实用化。