封面展示了基于激光泵浦型原子傳感器的核磁共振（NMR）測量的基本原理。零場-超低場NMR可極大地提高NMR波譜分辨率，從而提供一種精細(xì)化的非侵入性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測新手段。利用激光泵浦極化原子氣室中的原子，同時利用激光對極化原子感知的待測樣品宏觀磁矩信息進(jìn)行測量，實現(xiàn)了基于高靈敏度原子傳感器的高分辨零場-超低場NMR。通過結(jié)合樣品核自旋的超極化增強技術(shù)，可進(jìn)一步提高零場-超低場NMR的波譜測量靈敏度，極大地擴展了NMR的應(yīng)用范圍。

一、背景介紹

核磁共振（NMR）是在處于磁場中的非零自旋原子核受到外加射頻磁場微擾的情況下，當(dāng)射頻頻率等于強磁場引起的能級塞曼分裂時，吸收該特定頻率電磁波而發(fā)生能級躍遷的物理現(xiàn)象。根據(jù)外加磁場幅值，可以將NMR分為高場（磁感應(yīng)強度B>1 T）、低場（μT＜B＜1 T）和零場-超低場（B＜1 μT）。<b<1t）和零場-超低場（b<1<1t）和零場-超低場（b< p="" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;"> 作為一種非侵入性的檢測技術(shù)，當(dāng)前用于醫(yī)學(xué)臨床診療的高場核磁共振成像（MRI）與用于化學(xué)分析的高場NMR波譜技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)高場NMR難以實現(xiàn)高的磁場均勻性，導(dǎo)致譜線展寬，無法獲取高分辨的波譜信息。

近年來，零場-超低場NMR獲得了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的高場NMR相比，零場-超低場NMR波譜儀易于實現(xiàn)高的磁場均勻性，可以極大地提高NMR波譜分辨率（目前已可達(dá)到mHz量級），從而提供了一種精細(xì)化的物質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測新手段。此外，零場-超低場NMR可以實現(xiàn)對金屬容器和多孔介質(zhì)中物質(zhì)的探測，這在傳統(tǒng)高場NMR中是難以實現(xiàn)的，因此為一些特定領(lǐng)域（例如鋰電池檢測、石油勘探等）提供了新的研究工具。

隨著量子傳感技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）、激光泵浦型原子傳感器（LPAS）、金剛石中的氮-空位（NV）色心傳感器逐漸取代傳統(tǒng)法拉第感應(yīng)線圈，成為零場-超低場NMR的探測方式，有效解決了低頻（＜kHz）區(qū)域電磁感應(yīng)線圈對信號檢測靈敏度低的問題。出于對波譜儀高分辨率和高靈敏度、低制造成本、易于小型化的追求，零場-超低場NMR研究當(dāng)前受到了越來越多的關(guān)注，本文闡述了基于LPAS的零場-超低場NMR的相關(guān)技術(shù)以及研究進(jìn)展。

二、零場-超低場NMR原理及關(guān)鍵技術(shù)

典型的NMR檢測過程包括樣品極化、編碼和測量過程。傳統(tǒng)高場NMR通過高場下的熱極化（TP）過程獲得樣品的核自旋極化，核自旋極化度與磁場強度成正比，與溫度成反比；然后，以核自旋共振頻率的形式進(jìn)行編碼，其本質(zhì)上是原子核周圍電子的弱磁屏蔽導(dǎo)致原子核的實際共振頻率與孤立環(huán)境中的共振頻率產(chǎn)生差異。通常情況下，檢測與編碼是同時進(jìn)行的，由法拉第感應(yīng)線圈完成。

對于零場-超低場NMR，在測量區(qū)原位熱極化產(chǎn)生的磁化矢量強度比高場下產(chǎn)生的要低5個數(shù)量級以上。強磁場TP、動態(tài)核極化（DNP）、激光極化（LP）和仲氫誘導(dǎo)極化（PHIP）等極化增強技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了零場-超低場 NMR 樣品的宏觀磁化矢量，拓寬了零場-超低場NMR的應(yīng)用范圍。圖1為基于LPAS的NMR測量原理圖。

圖1 基于LPAS的NMR測量原理圖（ST：進(jìn)樣裝置；MS：磁屏蔽；LPAS：激光泵浦型原子傳感器）

1、樣品核自旋極化增強

NMR中極化的主要目的是建立大的宏觀磁化矢量，以增強信號強度。零場-超低場NMR中常見的極化增強方法有強磁場TP、LP、DNP（包括溶解動態(tài)核極化（dDNP）等）、PHIP等。強磁場TP方法較為簡單，但該方法產(chǎn)生的極化度不高，而且樣品進(jìn)樣過程會進(jìn)一步導(dǎo)致樣品退極化。引入LP、DNP（dDNP）、PHIP等超極化方法，可以使待測樣品獲得更高的核自旋極化度。與強磁場TP方法相比，超極化增強方法可將待測樣品核自旋極化度提高幾個數(shù)量級，從而顯著提高樣品信號探測強度的檢測限。

2、樣品傳輸與編碼

在零場-超低場NMR測量時，LPAS需要工作在低于10 nT的均勻磁場環(huán)境中。為了滿足這一條件，通常需要將LPAS固定在磁屏蔽裝置內(nèi)部的中心位置。這就涉及到樣品的傳送，需要將極化后的樣品運輸?shù)絃PAS的探頭位置實現(xiàn)測量。目前常見的進(jìn)樣裝置主要有氣動進(jìn)樣裝置和流動進(jìn)樣裝置等。氣動進(jìn)樣裝置可使極化增強的待測樣品以絕熱方式傳輸?shù)絃PAS測量區(qū)，或者使待測樣品多次在極化增強區(qū)與LPAS測量區(qū)之間傳輸，從而測量得到多次平均的NMR信號；流動進(jìn)樣裝置通常用于液體或者氣體樣品，它可使極化增強的待測樣品流動進(jìn)入LPAS的測量區(qū)。

通過脈沖線圈發(fā)射脈沖序列實現(xiàn)對樣品的編碼。在零場-超低場MRI中，樣品編碼是通過控制磁場梯度完成的。在零場-超低場NMR波譜中，編碼是通過分子內(nèi)部自旋-自旋相互作用（例如J-耦合）完成的。

3、LPAS探測

LPAS是實現(xiàn)零場-超低場NMR、MRI的關(guān)鍵，其具有制造成本低、維護(hù)簡單和易于小型化的優(yōu)勢。LPAS主要是通過非線性磁光效應(yīng)實現(xiàn)對磁感應(yīng)強度的測量，典型的LPAS主要分為無自旋交換弛豫（SERF）型和非線性磁光旋轉(zhuǎn)（NMOR）型。作為零場-超低場NMR譜儀的核心部件，LPAS具有進(jìn)一步微小型化的潛力。

三、最新研究進(jìn)展

（1）極化增強方法的應(yīng)用

超極化技術(shù)的引入可將待測樣品的核自旋極化度相比熱極化方式提高幾個數(shù)量級，從而顯著提高樣品NMR檢測的靈敏度。2020年，德國美因茨亥姆霍茲研究所使用商用LPAS結(jié)合不同的超極化方法對多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行了NMR波譜測量：結(jié)合PHIP技術(shù)實現(xiàn)了對馬來酸二甲酯的檢測，結(jié)合可逆交換信號放大（SABRE）技術(shù)實現(xiàn)了對吡啶樣品的檢測，結(jié)合高場TP技術(shù)實現(xiàn)了對甲酸和乙腈的檢測，如圖2所示。

圖2 商用LPAS測量的經(jīng)SABRE極化的天然同位素豐度15N-吡啶的零場NMR波譜，內(nèi)插圖為SABRE的反應(yīng)過程示意圖（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 314: 106723）

（2）編碼控制與理論分析

零場-超低場NMR波譜中蘊含著豐富的信息，但對其進(jìn)行一維波譜分析較為復(fù)雜，無法方便地獲取這些信息。零場-超低場NMR二維波譜技術(shù)可以通過編碼控制來實現(xiàn)，所得的二維波譜可以簡化一維波譜信號，使得波譜結(jié)構(gòu)更為清晰，在很大程度上降低了波譜分析的難度。2020年，加州大學(xué)伯克利分校研究人員通過測量獲得了碳-13標(biāo)記乙醇的零場-超低場NMR二維波譜，并發(fā)現(xiàn)零場-超低場NMR二維波譜在一維波譜分辨率的基礎(chǔ)上有所提升，如圖3所示。

圖3 1-13C乙醇ZF-TOCSY中高頻多重峰的詳細(xì)結(jié)構(gòu)（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 318: 106781）

（3）LPAS研究進(jìn)展

近年來，研究人員嘗試通過不同的方法來提升LPAS的靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。2010年，普林斯頓大學(xué)Dang等實現(xiàn)了鉀原子SERF型LPAS，其靈敏度達(dá)到了0.16 fT/Hz1/2，這是現(xiàn)有靈敏度最高的LPAS。2018年，Quspin公司開發(fā)了第一代商用小型銣原子LPAS，探頭尺寸13×19×110 mm3，其靈敏度可以達(dá)到10 fT/Hz1/2。

表1 LPAS研究進(jìn)展

（4）零場?超低場 MRI

自零場-超低場MRI方法和技術(shù)問世以來，國內(nèi)外使用LPAS對零場-超低場MRI進(jìn)行了研究。早期研究主要利用零場-超低場MRI對水流進(jìn)行成像。近年來，人們通過磁通變換（FT）技術(shù)，將樣品與LPAS空間分隔開來進(jìn)行遠(yuǎn)程MRI探測，已實現(xiàn)對人體手部、大腦以及水模的成像。

四、總結(jié)與展望

零場-超低場由于高分辨率的優(yōu)勢為發(fā)展高精度的NMR、MRI測量提供了新思路。進(jìn)一步的研究重點是提升檢測限，以便能應(yīng)用于低含量分子、生物大分子和同位素天然豐度樣品的測量。將LPAS與傳統(tǒng)使用法拉第感應(yīng)線圈的方法相結(jié)合，可以在覆蓋高場、低場和零場-超低場的整個工作磁場范圍內(nèi)實現(xiàn)NMR、MRI測量與研究。

通過引入LPAS探測方式，已實現(xiàn)零場-超低場NMR和MRI的原理驗證。進(jìn)一步的研究重點將聚焦在零場-超低場NMR波譜分析、提高零場-超低場NMR波譜儀測量分辨率、零場-超低場NMR波譜儀小型化等方面。零場-超低場NMR波譜分析需要結(jié)合被測樣品的物理化學(xué)信息，通過控制編碼脈沖等方式進(jìn)行詳細(xì)分析。提高譜儀測量分辨率可以通過超極化方式與提高LPAS靈敏度來實現(xiàn)。零場-超低場NMR波譜儀小型化的核心就是LPAS的微小型化，現(xiàn)有的LPAS尺寸可達(dá)厘米級別，隨著新材料的開發(fā)與加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，LPAS具有進(jìn)一步微小型化的潛力。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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