固體核磁共振研究進(jìn)展—鄧風(fēng)研究員及其團(tuán)隊(duì)專訪

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

與X射線衍射相比，固體核磁共振(NMR)作為一種重要的譜學(xué)技術(shù)，它對(duì)體系中的近程有序變化更為敏感，非常適合用于研究各類非晶固體材料的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為，能夠提供原子分子水平的結(jié)構(gòu)信息。固體NMR已被廣泛應(yīng)用于多相催化、聚合物、玻璃、鋰電池、納米材料、藥物和膜蛋白等諸多研究領(lǐng)域。近年來，隨著高場(chǎng)NMR譜儀(800 MHz及以上)和超高速(60 kHz及以上)魔角旋轉(zhuǎn)探頭的應(yīng)用以及各類先進(jìn)一維、二維脈沖實(shí)驗(yàn)技術(shù)和超極化技術(shù)的研發(fā)，極大地促進(jìn)了固體NMR方法學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍的拓展。

我們有幸采訪了固體核磁共振專家，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》“固體核磁共振”特刊的客座編輯鄧風(fēng)研究員，為我們分享他的固體核磁共振研究經(jīng)歷及對(duì)固體核磁共振的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的看法。

問題1：鄧風(fēng)研究員，在您的科研生涯中從事過哪些方面的研究？您從什么時(shí)候開始從事固體核磁共振方面的研究？

回答：我從1988年到中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所讀研究生開始就一直從事固體核磁共振方面的研究工作，并于1992年開始專注于以沸石分子篩為代表的固體酸催化劑的結(jié)構(gòu)與性能的固體NNR研究。

問題2：請(qǐng)介紹一下您的課題組在固體核磁共振領(lǐng)域取得的主要成果？

回答：我的課題組一直從事固體酸催化劑(包括沸石分子篩、金屬氧化物、雜多酸等)的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理的固體NMR研究。這一類催化劑由于具有環(huán)境友好、產(chǎn)物選擇性高和易分離等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油化工和化學(xué)工業(yè)的各種催化過程。研究固體酸催化劑的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系對(duì)于現(xiàn)有催化劑的改性以及新型高效催化劑的研發(fā)都具有重要的意義。在這些年的研究工作中，我們一方面致力于相關(guān)固體NMR表征技術(shù)的發(fā)展，另一方面致力于用所發(fā)展的技術(shù)來解決固體酸催化中的一些關(guān)鍵科學(xué)問題。主要成果包括：發(fā)展了固體酸催化劑酸強(qiáng)度定量測(cè)量的NMR方法、活性中心協(xié)同作用表征的二維和雙共振NMR方法、主客體相互作用表征的二維和雙共振NMR方法以及催化反應(yīng)機(jī)理表征的原位NMR方法等，并用這些方法研究了在固體酸催化劑上有機(jī)小分子(低碳烷烴、CO、甲醇等)的活化與轉(zhuǎn)化機(jī)制，闡明了催化劑的構(gòu)效關(guān)系。

問題3：請(qǐng)您簡(jiǎn)單回顧一下固體核磁共振領(lǐng)域最近幾年的重要進(jìn)展？

回答：近年來，由于高場(chǎng)固體NMR譜儀的逐漸普及，再加上固體NMR脈沖方法的發(fā)展，使得固體催化劑中一些低本征靈敏度、低含量的金屬活性中心(如Zn、Mo、Ga、Sn等)的觀測(cè)成為可能，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步研究金屬活性中心與其它活性中心的相互作用和協(xié)同效應(yīng)。另外，動(dòng)態(tài)核極化(Dynamic Nuclear Polarization，DNP)是一種電子核的雙共振超極化技術(shù)，近年來由于高場(chǎng)DNP技術(shù)的發(fā)展，能使NMR的靈敏度得到2–3個(gè)量級(jí)的提高，該新技術(shù)在功能材料、多相催化和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。

問題4：目前我國(guó)固體核磁共振研究在國(guó)際上處于什么水平？

回答：目前我國(guó)的固體NMR研究領(lǐng)域正處于明顯的上升繁榮時(shí)期，研究水平也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其在多相催化研究中的固體NMR方法發(fā)展、應(yīng)用研究的水平以及關(guān)鍵科學(xué)問題的解決能力等方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，部分處于國(guó)際領(lǐng)先水平。近年來，一批中青年學(xué)者在納米材料、電池材料和膜蛋白等領(lǐng)域的固體NMR研究中都做出了一系列出色工作，在國(guó)際上逐步嶄露頭角。但在總體研究能力上與國(guó)際領(lǐng)先實(shí)驗(yàn)室相比仍有一定差距，這主要是受限于我國(guó)固體NMR的譜儀數(shù)量、設(shè)備水平、研究隊(duì)伍規(guī)模以及研究工作積累等方面。

問題5：固體核磁共振領(lǐng)域有迫切需要突破的卡脖子技術(shù)嗎？

回答：目前固體核磁共振領(lǐng)域需要突破的卡脖子技術(shù)主要是魔角旋轉(zhuǎn)(MAS)探頭技術(shù)，能進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)、大范圍變溫、實(shí)時(shí)/原位觀測(cè)的MAS探頭技術(shù)是開展各種固體NMR研究的必備核心技術(shù)，一直被國(guó)外所壟斷。可喜的是最近中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了4 mm MAS探頭，轉(zhuǎn)速達(dá)到14 kHz，為下一步獨(dú)立研發(fā)固體NMR譜儀奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

問題6：您可否預(yù)測(cè)一下固體核磁共振的發(fā)展趨勢(shì)？

回答：隨著磁體技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室已研制出超高場(chǎng)NMR系統(tǒng)(1.5 GHz)，商業(yè)化的1.2 GHz NMR譜儀也將不久會(huì)投入使用，這將極大提高NMR的檢測(cè)靈敏度和分辨率，為固體NMR在材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的應(yīng)用提供新機(jī)遇。近年來，超極化NMR技術(shù)的發(fā)展為大幅提高核磁共振信號(hào)的檢測(cè)靈敏度提供了可能。除了DNP技術(shù)能夠使NMR信號(hào)的檢測(cè)靈敏度提高2–3個(gè)數(shù)量級(jí)，仲氫誘導(dǎo)核極化(Para-Hydrogen Induced Polarization，PHIP)技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)2–4個(gè)數(shù)量級(jí)的NMR信號(hào)增強(qiáng)，這些超極化技術(shù)將為表/界面的結(jié)構(gòu)、相互作用和反應(yīng)機(jī)理的研究提供新手段。另外，發(fā)展在原位和“工作狀態(tài)”下的固體NMR實(shí)時(shí)表征技術(shù)也是將來發(fā)展的重要方向。

問題7：您對(duì)準(zhǔn)備從事固體核磁共振研究的青年學(xué)者有何建議？

回答：青年學(xué)者應(yīng)該敢為人先，積極去嘗試和開展一些別人沒有做過的課題，拓寬固體NMR的應(yīng)用范疇。一旦選定自己感興趣的方向或課題，應(yīng)該保持定力，持之以恒、堅(jiān)持不懈，把它做到極致，成為國(guó)際上的引領(lǐng)者。在這個(gè)過程中，既要重視科學(xué)問題的研究，又要注重固體NMR方法學(xué)的發(fā)展，二者的緊密結(jié)合，將支撐高水平的科學(xué)研究。