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金剛石可能是未來的核磁共振技術的關鍵
美國能源部(DOE)伯克利勞倫斯國家實驗室(Berkeley Lab)和加州大學(UC)伯克利分校的研究人員已經論證，金剛石可能是未來的核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)技術的關鍵。
Alex Pines的研究小組記錄了*塊室溫下任意磁場和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。
Alexander Pines是伯克利實驗室材料科學部和伯克利大學Glenn T. Seaborg化學教授席位的學院教授，在其主導的一項研究中，研究人員記錄了*塊室溫下任意磁場和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。超極化的碳-13自旋信號顯示NMR/MRI信號敏感度得到了相對于傳統的NMR/MRI磁體在室溫下通常可能的信號敏感度超出多個數量級的增強。此外，這種超極化是使用微波實現的，而不是依靠的磁場來進行超極化轉移。
Pines是發表在《Nature Communications》上一篇關于本研究的論文的通訊作者。該論文的標題是《金剛石中光泵浦氮空位中心的室溫原位原子核自旋超極化》。Pines研究小組的一位成員JonathanKing是該文的*作者。
作者報告，觀察到了百分之六的體原子核自旋極化，這是一個比熱平衡大170000倍左右的核磁共振信號增強。超極化自旋信號可以通過標準NMR探針進行原位檢測，不需要來回移動樣品或者的晶體取向。作者認為這種新的超極化技術應該可以使在室溫條件下對固體和液體的核磁共振研究的靈敏度得到數量級上的增強。
“我們的研究結果代表了一個與Weizmann科學研究所的Lucio Frydman和其同事在其開創性實驗中得到的結果相當的核磁共振信號增強，但是是在金剛石中通過微波誘導動態原子核超極化，不需要控制磁場和晶體取向，”Pines說：“室溫超極化金剛石打開NMR/MRI極化從一個惰性、無毒、易分離的源轉移到任意樣本的可能性，這是當代NMR/MRI技術長期追求的一個目標。”
同時具有化學特異性和非破壞性的特點使NMR/MRI技術在包括化學、材料、生物和醫學等的廣泛領域內成為一種*的技術。然而，它的敏感度問題仍然是一個持久的挑戰。NMR/MRI信號是基于電子和原子核的一種被稱為“自旋”的本征量子特性。電子和原子核可以像一個旋轉的小磁鐵棒一樣被分配一個“向上”或“向下”的方向狀態。NMR/MRI信號取決于被往一個方向極化的核自旋的大多數——即極化程度越高，信號越強。Pines和他的研究小組成員經過幾十年的努力，已經開發了大量的方法來超極化原子核的自旋。在過去的兩年中他們一直專注于金剛石晶體和一種稱為氮空位(NV)中心的雜質，在氮空位中心里光學和自旋自由被耦合在一起。
“當純金剛石晶體的晶格中相鄰的兩個碳原子被從晶格中刪除，留下兩個空隙，其中一個被一個氮原子填充，另一個保持空缺的時候，就得到了一個氮空位(NV)中心，”Pines解釋說。這使得在氮原子和空位之間出現非束縛的電子，產生*和明確的電子自旋極化態。”
在之前的研究中，Pines和他的團隊發現，低強度磁場可以用來將NV中心電子自旋極化傳遞到附近的碳-13原子核，從而產生超極化核。這個被稱為動態核極化的自旋轉移過程在以前就已經被用于增強核磁共振信號，但總是在高強度磁場和低溫條件下進行。Pines和他的團隊通過在金剛石旁邊放置一個*磁鐵消除了這些要求。
“在我們的新研究中，我們利用微波而不是磁場來匹配電子和碳-13原子核之間的能量，從而消除了一些困難的對磁場強度和對準的限制，使得我們的技術更容易使用，”King說：“另外，在我們以前的研究中，我們通過光學測量間接推斷核極化的存在，因為我們無法測試是樣品整體極化還是只有非常接近NV中心的核被極化。通過*消除對磁場的需要，我們現在能夠用NMR直接測量大塊樣品。
在《Nature Communications》的文章里，Pines, King和其他共同作者說，可以有效地集成到現有的制造技術并創造高表面面積金剛石器件的超極化金剛石應該可以為極化轉移提供一個通用的平臺。
“我們希望利用現有的極化轉移技術——如固體中的交叉極化和液體中的交叉弛豫，或NV中心外圍核的直接動態核極化——來得到液體和固體的高度增強核磁共振,”King說，應該注意到，這種轉移到固體表面和液體的極化轉移之前已經被Pines的研究團隊用激光極化Xe-129論證過。”我們基于光學極化NV中心的超極化技術更為強大和有效，應該適用于任意的目標分子，包括必須保持在接近室溫條件下的生物系統。”