增强的NMR在一小部分时间内显示出化学结构

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法来显着提高核磁共振光谱(NMR)的灵敏度，核磁共振光谱是一种用于研究多种分子结构和组成的技术，包括与阿尔茨海默氏症和其他疾病相关的蛋白质。

Arthur Amos Noyes化学教授罗伯特格里芬说，使用这种新方法，科学家们应该能够在几分钟之内分析以前需要多年才能破译的结构。这种新方法依赖于微波功率的短脉冲，可以让研究人员确定迄今为止难以研究的许多复杂蛋白质的结构。

该研究的资深作者格里芬说：“这项技术应该开辟出目前无法进入的化学，生物，材料和医学科学的广泛领域。”

MIT postdoc Kong Ooi Tan是该论文的主要作者，该论文于1月18日出现在Sciences Advances上。前麻省理工学院博士后陈阳和Guinevere Mathies以及布鲁克BioSpin公司的Ralph Weber也是该论文的作者。

增强灵敏度

传统的核磁共振利用原子核的磁性来揭示含有这些核的分子的结构。通过使用与氢的核自旋和其他同位素标记的原子(例如碳或氮)相互作用的强磁场，NMR测量称为这些核的化学位移的性状。这些偏移对于每个原子都是独特的，因此可以作为指纹，可以进一步利用这些指纹来揭示这些原子是如何连接的。

核磁共振的灵敏度取决于原子的极化 - 每个自旋系统中“向上”和“向下”核自旋的总体差异的测量。极化越大，可以实现的灵敏度越高。通常情况下，研究人员试图通过施加更强的磁场来增加样品的极化，最高可达35特斯拉。

麻省理工学院等离子体科学与融合中心的Griffin和Richard Temkin在过去25年中开发的另一种方法是使用称为动态核极化(DNP)的技术进一步增强极化。该技术涉及将来自自由基的未配对电子的极化转移到所研究的样品中的氢，碳，氮或磷核。这增加了极化并使得更容易发现分子的结构特征。

DNP通常通过使用称为回旋管的仪器用高频微波连续照射样品来进行。这将NMR灵敏度提高了约100倍。然而，这种方法需要很大的功率，并且在较高的磁场下不能很好地工作，这可以提供更高的分辨率改进。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队提出了一种方法来提供短脉冲的微波辐射，而不是连续的微波辐射。通过以特定频率提供这些脉冲，它们能够将极化强度提高200倍。这类似于传统DNP所实现的改进，但它仅需要7%的功率，与传统的DNP不同，可以在更高的磁场下实现。

“我们可以通过有效利用微波辐射以非常有效的方式转移极化，”Tan说。“对于连续波照射，你只需要激发微波功率，你无法控制相位或脉冲长度。”

节约时间

研究人员表示，随着灵敏度的提高，以前需要近110年才能分析的样本可以在一天内进行研究。在科学进展论文中，他们通过使用它来分析标准测试分子(如甘油 - 水混合物)来证明该技术，但他们现在计划将其用于更复杂的分子。

感兴趣的一个主要领域是淀粉样β蛋白，其积聚在阿尔茨海默病患者的大脑中。研究人员还计划研究各种膜结合蛋白，如离子通道和视紫红质，它们是细菌膜和人类视网膜中的光敏蛋白。由于灵敏度非常高，这种方法可以从更小的样本量中获得有用的数据，这可以更容易地研究难以大量获得的蛋白质。

该研究由国家生物医学成像和生物工程研究所，瑞士国家科学基金会和德国研究基金会资助。