开源模块化机器人系统在超极化增强核磁共振实验中的创新应用

本研究针对超极化增强NMR实验中参数优化繁琐、重复性差的问题，开发了基于开源组件的模块化机器人系统，实现了光化学动态核极化(photo-CIDNP)和可逆交换信号放大(SABRE)技术的自动化操作。该系统在1.4 T至零场(ZULF)多种磁场条件下验证了实验可重复性，为分子成像和药物筛选提供了高效研究平台。

　　

在核磁共振(NMR)研究领域，超极化技术如动态核极化(DNP)、光化学动态核极化(photo-CIDNP)和仲氢诱导极化(PHIP)能显著增强信号强度，但其优化过程常需手动调整多个参数且重复性差。传统方法依赖人工操作，难以实现高通量实验，而现有自动化方案如步进电机或流体系统存在空间限制和信号干扰等问题。

为解决这些挑战，由Dmitry Budker和Danila A. Barskiy领衔的国际团队在《Journal of Magnetic Resonance Open》发表研究，开发了基于开源硬件的模块化机器人系统。该系统采用uArm Swift Pro机械臂，结合3D打印导向装置和磁屏蔽技术，实现了样品在1.4 T高场与微特斯拉(μT)级零场(ZULF)间的精准转运。通过Python编程同步控制LED激发、磁场切换和NMR检测，研究人员在苯醌(1,4-benzoquinone)的¹³
C检测中获得了200倍信号增强，吡嗪(pyrazine)的SABRE实验则揭示了7 mT场强下26秒的极化建立时间常数。尤为重要的是，该系统在不同检测模式（台式NMR与光学泵磁力计）间切换时，发现了极化动力学差异，为超极化机制研究提供了新线索。

关键技术包括：1) 机械臂运动轨迹优化（快/慢双模式，精度±50 ms）；2) 多场域协同控制（4层磁屏蔽+亥姆霍兹线圈实现0.5 μT至40 μT场强渐变）；3) 气动p
H₂
输送系统（5 bar压力，30 scc/min流量精度）；4) 原子磁力计ZULF检测（2 μT场下异核单重态观测）。

研究结果部分显示：

1. 机械臂性能基准测试：快模式单电机驱动可实现1.65±0.03秒的弧线运动，但存在0.5秒异常值（发生率1.2%），需通过时序验证排除数据异常。
2. 光化学动态核极化实验：在1.4 T场下，¹³
   C自然丰度样品信噪比提升至可检测水平（5 mM浓度），证实异核（¹
   H-¹³
   C）单重态有序性在μT场的形成。
3. SABRE实验：吡嗪在7 mT场的极化建立存在"双时间常数现象"——台式NMR检测为8秒，而ZULF检测为26秒，暗示催化剂中间体或顺磁杂质的影响。地球磁场(50 μT)下的弛豫比7 mT快6倍，但2 μT场出现信号先升后降的反常弛豫曲线，可能与正氢(o
   H₂
   )弛豫干扰有关。

该研究开创性地将低成本机器人系统与多场NMR检测结合，其模块化设计允许快速切换光-CIDNP、SABRE等极化模式。不仅解决了超极化实验的重复性难题，更通过异常数据揭示了场强依赖的极化传递新机制。未来在片段药物筛选中，该系统可通过监测弛豫时间变化捕捉蛋白质-配体相互作用，为生物医学研究提供全新工具平台。开源硬件的应用策略显著降低了实验室自动化门槛，使得ZULF NMR等尖端技术更易普及。