基于副氢的超极化技术在台式核磁共振中的应用：原理与新兴应用

《Journal of Magnetic Resonance》：Parahydrogen-based hyperpolarization for benchtop NMR: principles and emerging applications

　　

摘要

尽管对紧凑且成本较低的弱场核磁共振系统的需求不断增长，但由于灵敏度低和光谱分辨率不足，其应用仍受到限制。解决这些问题的一个重要方法是将基于副氢的超极化技术与台式核磁共振结合使用。由于这种超极化技术可以使用相对简单且成本低廉的设备实现，原本为高场核磁共振开发的实验装置可以很容易地适配到台式系统中。这种兼容性使得基于副氢诱导的极化（PHIP）和通过可逆交换实现信号放大（SABRE）技术在提升台式核磁共振的分析能力方面具有显著优势。本文综述了用于台式核磁共振的PHIP和SABRE超极化技术的原理及实验要求，随后探讨了其在化学、生物学和生物医学分析领域的最新应用、当前面临的挑战以及未来的发展机遇。

引言

核磁共振波谱技术已成为化学和生物分析领域的常用工具，它能够帮助人们了解分子的结构、动态以及相互作用[1]、[2]、[3]、[4]，与质谱分析和冷冻电子显微镜分析等技术相得益彰[5]、[6]。然而，传统的高场核磁共振仪器依赖于超导磁体以及低温冷却系统，这不仅增加了设备的安装难度，还提升了运行成本[7]、[8]。正是由于这些限制，人们开始研发基于永磁体的紧凑型且成本较低的核磁共振系统。台式核磁共振仪器通常使用工作频率在40–90 MHz范围内的¹H光谱仪，已成为进行现场化学分析和过程监测的实用工具[9]、[10]、[11]。由于这类仪器无需使用液氦或液氮进行冷却，因此大大降低了维护成本。与高场核磁共振仪器相比，其初始投资成本也低得多，通常仅为后者的1/5到1/10甚至更低。正因如此，台式核磁共振在实验室和工业领域越来越普及。

尽管具有诸多优势，台式核磁共振仍然受限于较低的磁场强度，这会导致光谱分辨率和灵敏度下降。虽然在低场条件下分辨率的降低难以避免，但可以通过超极化技术来提升灵敏度，该技术能够暂时使核自旋极化程度超过玻尔兹曼极限。溶解态动态核极化技术[dDNP][12]、奥弗豪泽动态核极化技术[ODNP][13]以及光化学诱导的动态核极化技术[photo-CIDNP][14]在溶液核磁共振中得到了广泛应用；近年来，基于副氢的极化技术也逐渐兴起，并在该领域引起了广泛关注。

与其他极化技术相比，基于副氢的超极化技术更具优势，因为它所需的仪器相对简单，运行成本较低，且极化建立速度较快。这项技术已被与高场核磁共振结合使用，从而显著增强信号强度并拓展其应用范围，相关研究还涉及副氢的富集与传递机制、新型催化平台以及旨在阐明极化传递路径的机理研究[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。最近，由于这些优势，基于副氢的技术尤其适合用于弱场和台式核磁共振系统，因为它们不需要复杂的微波或激光设备。因此，基于台式核磁共振的副氢超极化技术的研究范围已从简单的小分子检测[22]、[23]扩展到了更广泛的领域，包括生物分子分析[24]、[25]、[26]、代谢物检测[27]、分子成像[28]、[29]、[30]以及生物医学研究[26]、[31]、[32]。因此，本综述重点介绍台式核磁共振中的基于副氢的超极化技术，涵盖其基本原理、实验实现方法以及最新应用情况，同时探讨其在弱场核磁共振中的应用所面临的挑战及未来前景。需要说明的是，在本综述中，“台式核磁共振”和“弱场核磁共振”这两个术语可互换使用，均指那些工作在低磁场范围的商用紧凑型台式核磁共振系统，其¹H谱段的典型工作频率为40–90 MHz，对应的磁场强度约为1–2 T。

内容节选

正氢与副氢

副氢诱导的极化技术（PHIP）是由Bowers和Weitekamp在1986年提出的[33]，这是一种通过在氢化反应过程中将副氢的自旋状态转移到目标分子上，从而增强核磁共振信号的极化技术。要理解这一过程，首先需要了解构成PHIP基础的分子氢（H₂）的基本自旋特性。

分子氢存在两种自旋异构体，即正氢（oH₂）和副氢（pH₂）。

台式核磁共振作为中间表征平台

由于体积小巧且操作简便，台式核磁共振能够很好地融入多步骤实验流程中，可在使用更高场强或成像设备进行检测之前用于监测样品状态。因此，它特别适用于快速检测样品状态、常规测量以及初步分析。在Stewart等人2021年发表的研究中[59]，他们使用了60 MHz的台式核磁共振系统来测定经过PHIP超极化的[1–¹³C]富马酸的T₁弛豫时间。

结论

在本综述中，我们总结了台式核磁共振中基于PHIP和SABRE技术的超极化技术的基本原理、实验要求以及最新应用情况。PHIP技术的主要应用包括反应监测、动力学分析以及极化传递机制的研究；而SABRE技术则因其在多维光谱分析、杂核检测、代谢物分析、药物检测、法医筛查、食品分析以及生物标志物检测等方面的应用价值而备受重视。

作者贡献说明

Nayeong Park：撰写原始稿件、负责可视化处理。Quynh Thi Nguyen：撰写原始稿件。Yongmin Chang：负责文章审阅与编辑工作、负责资金申请。Gang Ho Lee：负责文章审阅与编辑工作、负责资金申请。Youngbok Lee：负责文章审阅与编辑工作、负责项目监督、负责资金申请以及概念设计。Jihyun Kim：负责文章审阅与编辑工作、负责项目监督、负责资金申请以及概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（科学信息通信技术部）提供支持（项目编号为RS-2024-00334049和RS-2024-00406209）；此外，该研究还获得了由韩国科学信息通信技术部资助的研发成果商业化促进机构（COMPA）的援助（项目编号为2710107321）。

Nayeong Park|Quynh Thi Nguyen|Yongmin Chang|Gang Ho Lee|Youngbok Lee|Jihyun Kim

韩国庆北国立大学自然科学学院化学系，大邱市41566