利用动态核极化提高纳米级成像能力

动态核极化(DNP)彻底改变了纳米级核磁共振(NMR)领域，使得研究更广泛的材料、生物分子和复杂的动态过程(例如蛋白质在细胞内如何折叠和改变形状)成为可能。

滑铁卢大学的一组研究人员将脉冲DNP与纳米级磁共振力显微镜(MRFM)测量相结合，以证明该过程可以在纳米级高效实现。这项工作由量子计算研究所教员兼物理和天文学系教授RaffiBudakian博士及其团队监督，该团队由SahandTabatabaei、PritamPriyadarshi、NamanishSingh、PardisSahafi和DanielTay博士组成。

在传统磁共振中，检测依赖于外部磁场中“上”和“下”自旋态之间的热布居差异。然而，在纳米级磁共振中，自旋数量显著减少，自旋方向固有的统计波动可能大于热极化。因此，在观察纳米级自旋系综时，最好测量统计极化而不是热极化。

然而，由于热电子极化比核自旋大得多，因此可以采用动态核极化(DNP)通过将极化从电子转移到附近的原子核来放大核自旋极化。这种增强显著提高了核磁共振(NMR)应用中的检测灵敏度。

该团队的实验表明，与统计极化相比，氢核自旋的热极化增加了100倍，相当于检测灵敏度增加了15倍。至关重要的是，这种增强相当于将测量时间缩短了200倍，这使得他们能够更快地获取信号。这些结果大大提高了MRFM检测作为纳米级成像实用工具的能力。

“通过将DNP的实质性增强与纳米级磁共振成像(MRI)和超灵敏自旋检测相结合，可以实现具有埃级分辨率的生物分子结构的三维MRI——这是结构生物学的一项变革性能力，”Budakian说。

展望未来，研究团队的目标是将DNP增强型MRFM测量应用于病毒和蛋白质等3D纳米级结构。他们希望通过在较低温度和较高磁场下操作来提高核自旋检测灵敏度。

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