室温下纳米金刚石中13C 的超极化：开启磁共振应用新篇

为提升核磁共振（NMR）信号，研究人员利用氮 - 空位中心（NV）极化纳米金刚石中13C，获高信号增强，助力磁共振应用。

　　

纳米金刚石中¹³C 超极化研究：突破与展望

在科学研究的微观世界里，核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术就像神奇的放大镜，帮助科学家们窥探物质的结构和生命的奥秘。然而，它们也面临着一个棘手的问题 —— 信号不够强，就像在嘈杂的环境中听微弱的声音，很多重要信息容易被忽略。超极化技术的出现，为解决这一难题带来了希望。它能够显著增强 NMR 和 MRI 的信号，就像是给这些技术装上了 “信号放大器”，在医学成像、代谢组学、药物研发等众多领域都有着巨大的应用潜力。

目前，虽然超极化技术已经取得了一些成果，但仍存在不少挑战。比如，一些方法需要在极低的温度下进行，这不仅增加了实验的成本和复杂性，还限制了技术的广泛应用。而且，在纳米颗粒中实现高效的超极化也并非易事，以往在纳米金刚石中尝试极化¹³C 自旋时，核极化程度很低。为了攻克这些难题，来自多个研究机构的研究人员展开了深入研究，其成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员使用了高压高温（HPHT）处理的金刚石粉末，这些粉末的中位粒径分别约为 2μm 和 100nm。他们通过一系列复杂而精妙的技术手段，对纳米金刚石进行表面处理，改善¹³C 和 NV 的弛豫时间；利用微光子结构优化 NV 的光照，增强其初始化效果；调整动态核极化序列（PulsePol）并进行慢样品旋转，提高 NV - ¹³C 的极化转移效率。

在研究过程中，表面处理技术是关键一环。研究人员发现，纳米金刚石的表面磁性噪声会影响¹³C 的弛豫时间（T₁），而这一参数对于超极化实验至关重要，它不仅决定了核超极化的可达到水平，还影响着超极化与信号检测之间的时间间隔。为了延长¹³C 的T₁，研究人员对商业纳米金刚石进行了不同阶段的处理，并研究其 NMR ¹³C T₁的变化。结果表明，空气氧化（AO）和三酸混合清洗（TAC）相结合的处理方式，比单独进行任何一种处理都更能有效去除导致弛豫的杂质，使¹³C T₁大幅延长，在 7.05T 磁场下达到 152±12s，相比原始材料提升了 7 倍多。

NV 的初始化也是研究的重点。由于金刚石与周围环境的折射率差异，导致在宏观数量的微纳米金刚石中实现均匀光照成为挑战。研究人员通过将光耦合到紧密排列的波导阵列结构中，成功改善了光照的均匀性。实验数据显示，使用该结构后，NV 自旋极化得到显著提升，在特定光谱区域，2μm 和 100nm 颗粒样品的（Δρ）_NV/（Δρ）_NV,dark分别达到 46 和 61，相比无波导结构时提升了 3.3 倍。

在极化转移过程中，研究人员对 PulsePol 序列进行了优化。PulsePol 序列利用离散脉冲实现 NV - ¹³C 的极化转移，与其他序列相比有独特优势。研究人员通过调整序列参数，如选择合适的共振条件（n = 4.5），有效减少了 NV - ¹⁴N 相互作用对极化转移的不利影响，使¹³C 极化提高了 1.7 倍。同时，研究人员还采用了复合脉冲替代矩形脉冲，并实施慢样品旋转策略。复合脉冲增强了序列对频率失谐的鲁棒性，使激发带宽扩展到（2π）15MHz，约 4% 的 NV 能被激发，超极化¹³C 信号提高了约 30%。慢样品旋转则使不同取向的 NV 依次参与极化转移过程，当旋转速度达到 25°/s 时，¹³C 信号增强了两倍。

综合运用这些优化策略，研究人员成功在 2μm 和 100nm 的金刚石颗粒中实现了¹³C 的超极化。在 0.287T 的极化场下，¹³C NMR 信号相对于热信号的增强倍数分别达到 1500 和 940。这一成果意义重大，它首次证明了在室温下利用光学泵浦的颜色中心（NV）可以在纳米金刚石中实现高效的¹³C 超极化，为基于纳米颗粒的磁共振应用开辟了新的道路。

从研究结论和讨论来看，研究人员通过多方面的改进，成功提升了纳米金刚石中¹³C 的极化水平。但与理想的单晶体情况相比，目前的绝对核极化值仍有差距。不过，研究人员也提出了进一步提升的方向，如在未来可以通过在不同频率下应用序列（多路复用）、脉冲整形、提高激光强度、优化样品散热等方式，有望将核极化水平提高到更理想的程度。对于纳米金刚石作为 MRI 示踪剂的应用，虽然目前¹³C 的极化衰减时间较短，但研究人员认为可以通过材料工程和表面处理等手段来改善。

总的来说，这项研究在纳米金刚石中¹³C 超极化领域取得了重要突破，为后续的基础研究和实际应用奠定了坚实的基础，有望推动敏感 NMR 和 MRI 技术在生物医学等领域的广泛应用，帮助科学家们更深入地探索生命的奥秘，为人类健康事业带来新的机遇。