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，使研究更广泛的材料、生物分子和复杂的动态过程成为可能，例如蛋白质如何在细胞内折叠和改变形状

滑铁卢大学的一个研究小组将脉冲DNP与纳米级磁共振力显微镜（MRFM）测量相结合，以证明这一过程可以在纳米级上高效实施。这项工作由量子计算研究所教员、物理和天文学系教授Raffi Budakian博士及其团队监督，该团队由Sahand Tabatabaii、Pritam Priyadarshi、Namanish Singh、Pardis Sahafi和Daniel Tay博士组成

“硅纳米线表面附近的大增强纳米级动态核极化”于8月21日星期三发表在《科学进展》上。

在传统磁共振中，检测依赖于外部磁场中“向上”和“向下”自旋态之间的热粒子数差异。然而，在纳米级磁共振中，自旋数量显著减少，自旋取向的固有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，动态核极化（DNP）可以通过将极化从电子转移到附近的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，这种增强对应于测量时间减少了200倍，这使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

Budakian说：“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种变革性能力。”

展望未来，研究小组的目标是将DNP增强的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工作来提高核自旋探测灵敏度 More information: Sahand Tabatabaei et al, Large-enhancement nanoscale dynamic nuclear polarization near a silicon nanowire surface, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado9059

Journal information: Science Advances