超極化核磁共振方法的原理和應用

龐振峰，管晗曦，高李娜，曹偉成，尹竟琳，孔學謙

浙江大學高新材料化學研究中心，化學系，杭州 310027

1 引言

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是一種尖端的化學分析和醫(yī)學檢測技術(shù)。在化學、材料學、分子生物學領(lǐng)域被廣泛應用。同時，憑借其非侵入性檢測的特點，磁共振成像技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學和臨床診斷中扮演了關(guān)鍵角色。雖然核磁共振功能強大，但是較低的檢測靈敏度一直是技術(shù)發(fā)展的瓶頸。核磁共振信號來源于原子核與外加磁場的塞曼作用，其信號強度正比于原子核在不同能態(tài)的布居數(shù)之差，也稱為極化，polarization，P。例如自旋1/2原子核處于熱平衡時，能態(tài)的分布滿足玻爾茲曼分布，此時極化為

可以看出信號強度取決于兩個能態(tài)的能量差，ΔE，和溫度，T。能量差，ΔE = Eβ? Eα= γ?B0由自旋的旋磁比和外加磁場的強度決定。以常見的9.4 T磁場為例，室溫下極化P ≈ 3 × 10?5。與紫外可見吸收光譜(P ≈ 1)和紅外光譜(P ≈ 0.6)相比核磁共振的靈敏度是極低的。

為了增強核磁共振的信號，人們可以施加更高的磁場(增大ΔE)，選擇較低的溫度(降低T)或使用低溫探頭(減小熱噪聲，增加信噪比)進行實驗。但一般來說常用的核磁共振設(shè)備能夠檢測到最低約1015個核自旋信號，這相對于其他光譜技術(shù)來說相差了很多個數(shù)量級1。為了進一步提高核磁共振的靈敏度，人們試圖通過一系列化學或者物理方法打破原子核塞曼作用的熱平衡狀態(tài)，從而原子核極化有數(shù)量級的提升，這類方法統(tǒng)稱為超極化(hyperpolarization)技術(shù)。1953年，Slichter等人利用電子極化轉(zhuǎn)移的方法，成功實現(xiàn)了7Li原子核的超極化2，此后的數(shù)十年中多種超極化技術(shù)應運而生。現(xiàn)階段的超極化技術(shù)可分為兩類(圖1)3，一類是通過將電子自旋的極化轉(zhuǎn)移到原子核來實現(xiàn)原子核的超極化(其中電子極化又可分為熱平衡態(tài)極化和電子的超極化)；另一類是利用特殊的分子極化來實現(xiàn)原子核的極化。

圖1 根據(jù)極化來源對超極化方法進行分類3Fig. 1 Hyperpolarization methods grouped by polarization sources 3.

電子具有較大的旋磁比(gyromagnetic ratio),熱平衡態(tài)的電子極化是相同溫度下熱平衡質(zhì)子極化的660倍。所以，即使將處于熱平衡態(tài)下的電子極化轉(zhuǎn)移到原子核上也會很大的提高原子核的極化。動態(tài)核極化技術(shù)(Dynamic Nuclear Polarization，DNP)就是利用熱平衡電子極化來增強原子核極化的技術(shù)。另外，我們可以通過激光技術(shù)或化學反應實現(xiàn)電子的超極化，然后將超極化電子的極化轉(zhuǎn)移，以實現(xiàn)更高的原子核極化。光泵(Optical Pumping，OP)，光核極化(Optical Nuclear Polarization，ONP)和化學誘導動態(tài)核極化(Chemically induced dynamics nuclear polarization，CIDNP)都是利用超極化電子實現(xiàn)原子核超極化的技術(shù)。還有一些比較特殊的分子(比如氫分子)或者化學基團由于原子核之間的強耦合，在低溫低磁場下會形成單一自旋態(tài)。這些特殊自旋態(tài)轉(zhuǎn)變之后也可以打破核自旋的熱平衡分布，實現(xiàn)原子核的超極化，例如仲氫誘導極化(Para-hydrogen induced polarization，PHIP)和量子轉(zhuǎn)子誘導極化(Quantum rotor induced polarization，QRIP)4。這篇綜述主要介紹幾種常見超極化技術(shù)的原理及應用。

2 動態(tài)核極化

動態(tài)核極化是一種可顯著提高核磁信號強度的超極化方法。1953年， Overhauser首先提出通過激發(fā)金屬中的自由電子，實現(xiàn)電子到原子核的極化轉(zhuǎn)移5。之后Carver和Slichter在低磁場(3 mT)下用7Li證實了該理論2。DNP是用連續(xù)微波照射樣品，使電子躍遷飽和，通過電子和原子核的耦合作用，改變核自旋能態(tài)的分布使其極化大大增強，從而提高核磁共振信號強度。以1H核為例，理論上信號可增強γe/γH≈ 660倍。如此顯著的靈敏度增強效應使DNP方法在液體和固體核磁中均得到了廣泛應用。

2.1 DNP極化轉(zhuǎn)移機理

DNP極化轉(zhuǎn)移機理可分為Overhauser效應(Overhauser Effect，OE)，固態(tài)效應(Solid Effect，SE)，熱混合效應(Thermal Mixing，TM)和交叉效應(Cross Effect，CE)四種機理。

2.1.1 Overhauser效應

Overhauser效應主要適用于低磁場下的液體、含自由電子的金屬及有機導體樣品。這些樣品中電子運動自由度大，轉(zhuǎn)動相關(guān)時間(τ)短。在低磁場下可以滿足條件ωeτ < 1，其中ωe是電子的Larmor頻率。此時電子的極化可以通過交叉弛豫(Crossing Relaxation)有效的轉(zhuǎn)移到與其存在超精細相互作用的原子核上。圖2a為一個自由電子和一個自旋1/2的原子核在磁場下組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)由βeαn，βeβn，αeαn，αeβn(電子態(tài)在前，簡單表示為λ1，λ2，λ3，λ4)四個能級組成。實驗過程中，先用微波飽和電子(pλ1= pλ3, pλ2= pλ4, pλi為每個能級的布居數(shù))。在各向同性超精細耦合產(chǎn)生的交叉弛豫作用下pλ1增大pλ4減小，最終導致原子核能級間布居數(shù)差異(pλ1+ pλ3) ? (pλ2+ pλ4)增大，核極化增強。

圖2 Overhauser效應的能級分布圖。(a)熱平衡態(tài)下四個能級的能量及布居數(shù)(黑色和紅色箭頭分別表示電子和核的自旋方向，灰色方塊大小代表該能級的粒子數(shù)多少)。(b)微波照射下電子的飽和躍遷對應的各能級的布居數(shù)分布(微波頻率等于電子Larmor頻率，ωm = ωe)。(c)交叉弛豫作用下(λ4 → λ1)各能級布居數(shù)分布Fig. 2 Overhauser effect: (a) Schematic representation of four energy levels and their populations (size of gray bars)at thermal equilibrium. (black and red arrows indicate electron spins and nuclear spins, respectively)(b) Population distribution with the electron saturation transition at the microwave irradiation (ωm = ωe).(c) Population distribution with the cross relaxation.

理想的OE必須滿ωe<< 1，保證交叉弛豫λ4→ λ1的速率遠大于電子弛豫(λ3→ λ1，λ4→ λ2)的速率，從而獲得高的極化轉(zhuǎn)移效率。一般來說只有在低磁場的液體或?qū)w樣品中才能通過OE高效轉(zhuǎn)移極化。固體材料的DNP增強主要通過固態(tài)效應(SE)、熱混合效應(TM)和交叉效應(CE)來實現(xiàn)。固態(tài)效應作用機理主要來源于電子和核的超精細耦合作用，交叉效應既有電子之間的耦合也包含了電子和核的超精細耦合，熱混合效應則可以看作交叉效應和電子間自旋擴散的組合。

2.1.2 固態(tài)效應

固態(tài)效應發(fā)生在低溫下含有固定順磁中心的固體樣品中，此時未成對電子定域在某個原子或晶格中不可移動。固態(tài)效應要求電子EPR譜線寬度小于原子核的Larmor頻率，此時電子–原子核自旋體系在較強的耦合作用下成為一個包含混合態(tài)的四能級系統(tǒng)。新的混合態(tài)由原來的λ1和λ2，λ3和λ4能級混合得到(圖3)?；旌铣潭认禂?shù)q受到電子與原子核之間的耦合強度和外磁場強度影響?；旌蠎B(tài)的存在可以使禁阻的零量子和雙量子躍遷在有效微波照射下被激發(fā)。當微波照射頻率為ωe+ ωn時，可激發(fā)λ2*能級到λ3*能級的雙量子躍遷，由于電子的弛豫速率遠大于核，因此受激躍遷后λ3*態(tài)快速弛豫λ1*態(tài)，通過不斷的激發(fā)－弛豫過程最終導致與電子相鄰的原子核在α與β能級的布居數(shù)差異增大，獲得正向的DNP增強效應。同樣地，當微波照射頻率為ωe? ωn時，可激發(fā)λ1*能級到λ4*能級的零量子躍遷，獲得負向的DNP增強效應。

圖3 固態(tài)效應的能級分布圖：(a)熱平衡態(tài)下四個混合態(tài)能級的能量及布居數(shù)(λ1＊ = λ1 + qλ2，λ2＊ = λ2 ? qλ1，λ3＊ = λ3 ? qλ4，λ4＊ = λ4 + qλ3，q 為混合程度系數(shù))。(b) ωe + ωn微波照射下的能級躍遷及電子弛豫引起的正向增強。(c) ωe ? ωn微波照射下引起的負向增強Fig. 3 Solid effect: (a) Schematic representation of four energy levels and their populations (size of gray bars) at thermal equilibrium. (λ1＊ = λ1 + qλ2，λ2＊ = λ2 - qλ1，λ3＊ = λ3 ? qλ4，λ4＊ = λ4 + qλ3, q indicates mixing factor)(b) Microwave irradiation at ωe + ωn leads to positive enhancement. (c) Microwave irradiation at ωe ? ωn leads to negative enhancement.

圖4 交叉效應的能級分布圖。(a)熱平衡態(tài)下八個能級的能量及布居數(shù)(黑色和紅色箭頭分別表示電子和核的自旋方向)。(b) ωe1微波照射下電子1的飽和躍遷及(c)電子2和核的零量子躍遷對應的各能級布居數(shù)分布，最終產(chǎn)生負向增強效應。(d) ωe2微波照射下電子2的飽和躍遷及電子1和核的雙量子躍遷最終產(chǎn)生正向增強效應。Fig. 4 Cross effect: (a) Schematic representation of eight energy levels and their populations (size of gray bars)at thermal equilibrium. (black and red arrows indicate electron spins and nuclear spins, respectively)(b) Saturation of the allowed EPR transitions for electron 1. (c) Zero quantum transition of the electron 2 and nucleus leads to negative enhancement. (d) Saturation of the electron 2 and double quantum transition of the electron 1 and nucleus leads to positive enhancement.

2.1.3 交叉效應(CE)

當電子順磁共振(EPR)的線寬大于核的Larmor頻率，且EPR的增寬主要來源于g因子的各項異性導致的非均勻增寬時，即Δ > ωn> δ (ωn為核的Larmor頻率，Δ和δ分別為電子順磁共振的非均勻和均勻增寬)，DNP增強機理主要為交叉效應。交叉效應利用雙自由基為極化試劑，是目前高場實驗中最有效的一種DNP增強機理。

交叉效應中包含了電子之間的耦合作用，通常以兩個電子和一個核的三自旋體系為模型來研究其作用機制。在外磁場作用下，該三自旋體系裂分為8個能級，其能級圖如圖4所示。在微波照射下，交叉效應中包含兩種能級躍遷：(1)當微波照射頻率與其中一個電子自旋共振頻率相等即ωm–ωe1或ωm– ωe2時，其中一個電子受激躍遷，兩個電子的極化度出現(xiàn)差異；(2)當兩個電子的自旋共振頻率差與核自旋頻率相等即ωe1? ωe2～ ±ωn時，其中一個電子與核的自旋方向同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)生零量子或雙量子躍遷(分別導致負向和正向增強)。通過上述兩種躍遷可使核極化增大。從而獲得增強的NMR信號。

2.1.4 熱混合效應(TM)

當體系中自由基濃度較高，電子之間的強耦合作用導致均勻增寬的電子順磁共振譜線寬大于核的Larmor頻率，即δ > ωn時，熱混合效應(TM)占主導地位。TM與CE類似，但TM中電子之間的耦合作用更強，我們可以將電子－核自旋系統(tǒng)描述為三個相互作用的熱庫系統(tǒng)來理解熱混合效應。這三個體系分別為電子塞曼系統(tǒng)(EZS)，電子偶極系統(tǒng)(EDS)和核塞曼系統(tǒng)(NZS)。其中，每個系統(tǒng)的自旋狀態(tài)(極化率)可用自旋溫度(體系混亂度)來表示。首先，通過一個非共振的微波照射激發(fā)部分電子躍遷，在電子順磁共振譜上產(chǎn)生一個大的極化梯度，這個極化梯度的產(chǎn)生導致EDS系統(tǒng)自旋溫度降低。之后，通過EDS和NZS系統(tǒng)之間的熱接觸(電子與核的耦合作用)降低了NZS系統(tǒng)溫度，最后導致核極化的增強。極化增強的具體作用機制取決于實驗條件，包括樣品性質(zhì)，自由基種類及濃度等(表1)6。

2.2 自旋擴散

在DNP實驗中，對于液體和金屬樣品，由于分子的快速運動或自由電子的存在，樣品中所有的核自旋都能有效地與電子自旋直接作用實現(xiàn)電子到核的極化轉(zhuǎn)移。然而在固體電介質(zhì)材料中，只有少數(shù)與電子相鄰的核(中心核)可以與電子有直接耦合作用，從而感受到電子的極化轉(zhuǎn)移，而核磁信號主要來源于與電子相距較遠的體相核，因此樣品的極化增強要通過以下兩個過程來實現(xiàn)：(1)電子極化轉(zhuǎn)移至與其相鄰的中心核，(2)通過自旋擴散過程將中心核的極化轉(zhuǎn)移至體相核。自旋擴散效率決定了總的極化增強效率。自旋擴散的效率取決于原子核之間的耦合強度，其受原子核種類和原子核之間的距離影響6,7。

2.3 實驗裝置及應用

DNP實驗的第一次成功應用是在小于1 T的低場核磁中8，且Overhauser效應9,10和固態(tài)效應的極化增強效率會隨著磁場強度的增強而減弱。隨著高頻微波源和其他硬件設(shè)備的發(fā)展，DNP增強實驗在強磁場(> 5 T)和魔角旋轉(zhuǎn)條件下都得到了廣泛應用11–13。DNP譜儀的基本結(jié)構(gòu)主要包括三部分：微波源(發(fā)射微波)，波導(將微波傳入探頭)，低溫探頭(檢測核磁信號)。由于低溫下自旋弛豫變慢可提高電子到核的極化轉(zhuǎn)移效率，且根據(jù)玻爾茲曼分布，溫度越低，電子與核在熱平衡態(tài)的極化度越高，因此大多數(shù)DNP實驗都在超低溫下進行。我們知道，普通核磁實驗所使用的探頭一般是一個或幾個由線圈和電容器組成的諧振回路，而由于電子順磁共振激發(fā)頻段較高，一般采用諧振腔進行微波功率的接收。在DNP中，將諧振腔與射頻諧振電路中的線圈一體化設(shè)計構(gòu)成雙共振探頭可用于微波照射和射頻信號的發(fā)射和接收。同時可從諧振腔底部通入冷的氮氣或氦氣來進行低溫實驗。DNP實驗中，需要引入極化試劑作為極化源來誘導核極化。對于極化試劑的選擇，主要基于以下因素：自由電子順磁共振頻率譜寬，自由基溶解性和毒性，自由基反應活性和弛豫時間等。目前主要以氮氧雙自由基為極化試劑14。

表1 四種DNP增強機理對比6Table 1 Four common DNP mechanisms 6.

隨著DNP的發(fā)展，其在物質(zhì)結(jié)構(gòu)解析15，生物大分子檢測及磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)16等方面的應用越來越廣泛。材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會極大地影響其功能和應用，固體核磁技術(shù)可以實現(xiàn)原子水平上的表面結(jié)構(gòu)表征，在先進材料的發(fā)展方面有著重要的指導意義。然而很多材料具有低的表面積或低濃度的表面活性位點，核磁的低靈敏度往往限制其應用，通過DNP表面增強技術(shù)可解決這一問題。將固體樣品浸潤于有機自由基溶液中，將溶液中的自由基電子極化轉(zhuǎn)移到觀測核，可得到普通NMR條件下難以檢測的稀核如13C17，15N18等的高分辨譜圖，以及在較短時間內(nèi)獲取高分辨二維譜圖，從而實現(xiàn)對其表面結(jié)構(gòu)的解析。DNP表面增強技術(shù)在功能化材料19，金屬有機框架材料(MOFs)20，納米顆粒以及多孔材料21的表征方面都有廣泛應用。在生物大分子的檢測方面，通過極化增強的15N及二維譜可解析膜蛋白和多肽的結(jié)構(gòu)信息以及它們與脂質(zhì)分子的相互作用22,23。基于DNP的成像技術(shù)可實現(xiàn)在活體內(nèi)對重要的生物小分子成像，捕捉代謝物信息，同時DNP可實現(xiàn)稀核(13C)在MRI中的檢測，在短時間內(nèi)獲得高分辨圖像24。

3 光泵

光泵(Optical Pumping, OP)是一類利用光來實現(xiàn)原子核超極化的方法?，F(xiàn)階段使用的光泵技術(shù)可分為兩類，一類是間接光泵法，另一類是直接光泵法。間接光泵法通過自旋交換光抽運(Spinexchange optical pumping，SEOP)進行介紹，直接光泵法通過亞穩(wěn)態(tài)交換光抽運(Metastableexchange optical pumping，MEOP)進行介紹

3.1 自旋交換光抽運原理

自旋交換光抽運是一種重要的間接光泵方法。它以堿金屬氣體為媒介利用圓偏振光實現(xiàn)稀有氣體原子核的超極化(圖5a)25?？紤]到堿金屬的蒸汽壓和自旋交換速率等因素，銣是最適合SEOP的堿金屬26。銣的基態(tài)電子構(gòu)型為[Kr]5s1，對應基態(tài)52S1/2，吸收一個光子后子5s電子激發(fā)到5p軌道上，由于電子的自旋-軌道耦合作用(J = L + S)占據(jù)5p軌道的激發(fā)態(tài)分裂為兩種能態(tài)(精細結(jié)構(gòu))，第一激發(fā)態(tài)52P1/2(J = 1/2)，和第二激發(fā)態(tài)，52P3/2(J = 3/2)。第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)的激發(fā)能量分別為D1=795 nm，D2= 780 nm。銣主要有兩種天然同位素85Rb (72.2%，I = 5/2)和87Rb (27.8%，I = 3/2)，原子核與電子的自旋-自旋耦合作用(F = I + J)會產(chǎn)生超精細結(jié)構(gòu)(圖5b)27。對于基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)都存在兩種超精細結(jié)構(gòu)，F(xiàn) = I + 1/2和F = I ? 1/2。當存在外加磁場的時候，超精細結(jié)構(gòu)的能態(tài)由于塞曼效應會分裂為2F + 1個能態(tài)。例如對于85Rb的第一激發(fā)態(tài)52P1/2(J = 1/2)，超精細結(jié)構(gòu)F = 5/2 ± 1/2，對于F=2的超精細結(jié)構(gòu)在磁場中存在5個能態(tài)(mF=?2，?1，0，1，2)，對于F = 3的超精細結(jié)構(gòu)在磁場中則存在7個能態(tài)(mF= ?3，?2，?1，0，1，2，3)。

圖5 (a) SEOP的極化產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移25。(b) 85Rb的光譜結(jié)構(gòu)27。(c)合理忽略超精細結(jié)構(gòu)后85Rb在左旋圓偏振光的照射下發(fā)生極化25。(d)實際實驗條件下85Rb發(fā)生極化25。Fig. 5 (a) Process of spin-exchange optical pumping 25. (b) Orbital structure, fine structure and hyperfine structure of 85Rb 27. (c) 85Rb is hyperpolarized with irradiation of left circularly polarized light (hyperfine structure is ignored because of pressure broadening) 25. (d) 85Rb hyperpolarization in the presence of N2 25.

由于超精細結(jié)構(gòu)和塞曼效應極其復雜的譜線，實驗中會選擇合適的氣體壓力利用壓力增寬(pressure broadening)效應使超精細譜線不能分辨，并使用低磁場使超精細耦合下的塞曼效應弱于超精細耦合。堿金屬基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)的能級差都小于10 GHz，在常用的實驗條件下(> 1 amagat，～0.002 T)堿金屬原子的吸收寬度在30 GHz左右，超精細結(jié)構(gòu)和塞曼效應的影響可以被合理忽略28。

簡化后的體系只存在精細結(jié)構(gòu)，不需要考慮原子核的影響，在外加磁場下每個精細結(jié)構(gòu)的能態(tài)會裂分為2J + 1個能態(tài)。當選用波長為795 nm的左旋圓偏振光沿外加磁場方向?qū)鶓B(tài)銣原子進行激發(fā)時，只有λ1→λ4滿足躍遷選律Δmj= +1, ΔL = ±1,ΔJ = 0，±129。處于λ4激發(fā)態(tài)的銣原子會有2/3的概率回到λ1，1/3的概率回到λ2，回到λ1的銣原子會繼續(xù)被激發(fā)到λ4然后一部分回到λ1，另一部分回到λ2；回到λ2的原子不會被左旋圓極化光激發(fā)，其布居數(shù)會不斷積累，這樣就完成了銣原子的超極化(圖5c)25。

在實際情況中，一部分銣原子會以輻射光子的形式從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，而輻射出的光子是不具有偏振性的，當銣原子蒸汽的密度較大，這種光子會有較大幾率被銣原子重新吸收。不具有偏振性的光子可以把處于λ2的銣原子也激發(fā)，循環(huán)往復不能使銣原子在某一個特定的態(tài)上積累，從而不能實現(xiàn)超極化，這種現(xiàn)象被稱為輻射捕獲(radiation trapping)。為了減少輻射捕獲的發(fā)生，體系中會加入氮氣來稀釋銣原子蒸汽。在氮氣分子和銣原子的碰撞過程中，激發(fā)態(tài)的銣原子會將能量轉(zhuǎn)移給氮氣分子回到基態(tài)而不會輻射出光子，轉(zhuǎn)移的能量變?yōu)榈獨夥肿拥恼駝幽?0。實驗中除了會加入氮氣還會加入4He作為緩沖氣，氮氣和4He會使λ3和λ4兩個能態(tài)發(fā)生碰撞混合(collisional mixing)，碰撞混合會使兩個態(tài)發(fā)生快速交換從而使兩個態(tài)的布居數(shù)相等，這樣就會使激發(fā)態(tài)的銣原子，有1/2的概率回到λ2基態(tài)，比沒有碰撞混合時的1/3更為高效(圖5d)25。

碰撞混合同樣也會發(fā)生在基態(tài)λ1和λ2之間，但是由于s軌道的球?qū)ΨQ性會使兩個基態(tài)能態(tài)的混合遠小于對稱性差的激發(fā)態(tài)軌道(p軌道)。極化后的銣原子如果與容器壁發(fā)生碰撞也會造成兩個基態(tài)能態(tài)的混合降低極化。把能引起兩個基態(tài)能態(tài)混合，使極化降低的所有因素綜合考慮，使用自旋破壞速率(spin-destruction rate)，ΓSD，來表征極化降低的過程，其數(shù)值越大表示極化衰減的越快。處于穩(wěn)態(tài)(足夠長的時間照射，各個態(tài)的布居數(shù)穩(wěn)定)的銣原子的極化可表示為，其中PRb表示穩(wěn)態(tài)銣原子的極化，γopt為光泵速率(受到光流密度和光子吸收概率影響)，ΓSD為自旋破壞速率。從上式中可以得出，要想提高銣原子的極化需要增大光泵速率降低自旋破壞速率。

得到了極化的銣原子，下一步就是要把銣原子的極化轉(zhuǎn)移給稀有氣體原子核。129Xe憑借其較高的天然豐度(26.44%)和與銣原子較快的自旋交換速率，在SEOP中被廣泛使用。銣原子與129Xe原子核的自旋交換(spin-exchange)是通過碰撞完成的。129Xe的穩(wěn)態(tài)極化可以表示為，

其中PXe為129Xe的穩(wěn)態(tài)極化，PRb為銣原子蒸氣的穩(wěn)態(tài)極化，γSE為銣原子與129Xe原子核的自旋交換速率(受氣體壓強和銣原子濃度影響)，Γ為129Xe的弛豫速率(主要由129Xe互相之間的碰撞和129Xe與容器壁的碰撞造成)31–34。

3.2 亞穩(wěn)態(tài)交換光抽運原理

亞穩(wěn)態(tài)交換光抽運是一種直接光泵的方法，利用光直接極化被照射的原子核。這里以3He(I = 1/2)為例介紹低磁場下亞穩(wěn)態(tài)交換光抽運的原理35–37。

氦原子的核外電子基態(tài)構(gòu)型為1s2，基態(tài)為11S0，由于此基態(tài)的J = 0不會因為核自旋的改變而出現(xiàn)不同的能態(tài)，也不會受到塞曼效應的影響。所以無法通過此基態(tài)來完成原子核或電子的超極化。當處于基態(tài)的氦原子經(jīng)過射頻放電(RF discharge)后電子構(gòu)型變?yōu)?s12s1，由于2s的電子回到1s是躍遷禁阻的，這種態(tài)會有較長的壽命所以被稱為亞穩(wěn)態(tài)(metastable state)，23S1。亞穩(wěn)態(tài)23S1吸收一個光子(1083 nm)后根據(jù)躍遷選律ΔL = ±1，ΔJ = 0，±1會得到三種激發(fā)態(tài)23P0,1,2(圖6a)。考慮到3He的超精細耦合和外加磁場的塞曼效應，3He的能級分布如(圖6b)38。

C8和C9是低場光泵中最高效的兩條譜線38。23S1和23P0在磁場和超精細耦合作用下分別存在6個和2個能態(tài)分別記為A1到A6和B17，B18。A1到A6的波函數(shù)可寫成純態(tài)│mJ, mI＞的疊加形式，mJ描述電子的行為，mI描述原子核的行為，其中A1= │?1,?＞和A4= │1, +＞是兩個純態(tài)。在左旋圓偏振光的作用下ΔmF= 1，A4態(tài)的布居數(shù)會得到積累。若3He原子在A4態(tài)上富集，原子核的自旋態(tài)也會在│+＞態(tài)上富集，從而實現(xiàn)核極化(圖6c)25。類似的，在右旋圓偏振光的作用下ΔmF= ?1，A1態(tài)的布居數(shù)會得到積累，原子核在|—〉態(tài)上富集，也會實現(xiàn)核極化。計算表明使用右旋偏振光具有更高的核極化效率38。

極化后的3He原子仍舊處于亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)的原子可以與基態(tài)的原子通過碰撞來相互轉(zhuǎn)化。極化的亞穩(wěn)態(tài)He*+轉(zhuǎn)變?yōu)闃O化的基態(tài)He+，未極化的基態(tài)He轉(zhuǎn)變?yōu)槲礃O化的亞穩(wěn)態(tài)He*然后被光泵極化為He*+。循環(huán)往復可以將未極化的基態(tài)He轉(zhuǎn)變?yōu)闃O化的基態(tài)He+。

圖6 (a) He原子基態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、第一激發(fā)態(tài)能級圖。(b) 3He原子亞穩(wěn)態(tài)和第一激發(fā)態(tài)超精細結(jié)構(gòu)38。(c)以C8譜線為例，3He亞穩(wěn)態(tài)在左旋圓偏振光的作用下發(fā)生超極化25。Fig. 6 Level diagram of (a) He including ground state, metastable state, and excited state;(b) hyperfine structure of metastable state and excited state of 3He 38.(c) hyperpolarization of 3He with the irradiation of C8 line 25.

3.3 半導體光抽運(Optical pumping of semiconductors)

在一些半導體中也可以實現(xiàn)光泵39,40。位于價帶或?qū)н吘壍碾娮诱紦?jù)位點可以分別被看作原子能態(tài)一樣的2P3/2和2S1/2。在磁場和左旋圓偏振光的作用下電子也會發(fā)生極化。極化的電子通過費米接觸(Fermi contact)作用和與原子核的偶極作用可以進行極化轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)核的超極化(圖7)25。

3.4 實驗裝置與實驗條件

SEOP的實驗裝置如圖827所示27，129Xe，4He，N2混合氣通入加入液體銣的圓柱狀石英容器中，容器中的均勻磁場和圓偏振光發(fā)生裝置都沿軸向。裝置配有控溫系統(tǒng)可用來調(diào)節(jié)圓柱狀容器中氣體的溫度。裝置內(nèi)有磁共振線圈可用來檢測129Xe的極化情況。實驗中需要對圓柱形容器的高和直徑進行合理選擇，盡量縮短極化后129Xe到儲存裝置的路徑長度，以減少129Xe與容器壁碰撞產(chǎn)生弛豫。激光的功率和波長、圓柱形容器的溫度、極化時間和129Xe的分壓都需要合理選擇以獲得最大極化率41。SEOP的磁場強度一般在10 mT左右，氣體極化室尺寸為長度～30 cm、直徑～5 cm，溫度保持在～400 K，混合氣的體例為(～2%氙氣(天然豐度或129Xe)，～10%氮氣，～88%氦氣)，氣體的總壓力在幾個大氣壓左右。MEOP的實驗裝置與SEOP的實驗裝置類似，但是不需要堿金屬蒸氣，并且整個實驗中都需要持續(xù)的弱射頻放電來保持亞穩(wěn)態(tài)3He的數(shù)量。低磁場下的MEOP需要3He的壓強在1mbar的量級，以減少碰撞產(chǎn)生的能態(tài)混合，從而造成極化損失。因為3He極大的擴散系數(shù)，MEOP對磁場的均勻度要求更高(ΔB/B ～ 50 ppm?cm?1，B < 30 mT)42。

圖7 半導體光抽運中的電子極25Fig. 7 Scheme of optical pumping of semiconductors 25.

圖8 氣體連續(xù)流動85Rb-129Xe SEOP裝置圖27Fig. 8 Scheme of continuous-flow apparatus for 85Rb-129Xe SEOP 27.

3.5 光泵的應用

醫(yī)療診斷方面，由于臨床上使用的診斷方法，如肺功能測試和CT，會產(chǎn)生電離輻射，無法避免造成損傷，難以安全高效可行的定量檢測氣血交換功能等肺部生理學43。

自旋交換光泵超極化的惰性氣體，尤其是129Xe氣體，由于其良好的溶解度和很強的化學位移敏感性，再加上比熱平衡狀態(tài)下極化增強高達50000倍，近年來在肺部磁共振成像上應用廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)對動物肺部結(jié)構(gòu)和功能的檢測。Lauterbur首先采用磁場梯度的方法發(fā)明了磁共振成像技術(shù)，開創(chuàng)了磁共振成像領(lǐng)域44。1994年，Albert等人在離體小鼠的肺部得到第一幅超極化惰性氣體肺部磁共振影像45，自此這種方法得到了快速的發(fā)展46,47(圖9)。目前，利用光泵超極化129Xe氣體，已實現(xiàn)了活體動物的肺部通氣磁共振成像48、腦部表觀弛豫方法磁共振成像49，具有相當?shù)陌l(fā)展前景。近年來，四極核83Kr (I = 9/2)在磁共振成像中也得到了應用50。另外，超極化氙還在研究催化劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和催化反應機理中有著廣泛的應用51–53。

光泵與光檢測核磁方法在砷化鎵系列半導體的量子阱與異質(zhì)結(jié)方面的研究也頗為廣泛。例如，Kalevich等人測定了100 nm寬GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱的光泵核自旋極化和光檢測核磁譜54；Krapf等報道了一種P摻雜Al0.36Ga0.64As/GaAs異質(zhì)結(jié)的光檢測核磁實驗55。

圖9 利用超極化129Xe的肺部磁共振成像46Fig. 9 MRI of lung using 129Xe 46.

4 光核極化

1967年，Maier和Wolf發(fā)現(xiàn)蒽的單晶在非極化的白光照射下原子核會發(fā)生超極化56，后來人們發(fā)現(xiàn)在一些芳香族化合物的混合晶體中也能發(fā)生這種光核極化現(xiàn)象。這種極化現(xiàn)象在低磁場下產(chǎn)生，而且當磁場變大的時候極化依然保留57。這種極化具有較長的T1，可以把樣品在低磁場下極化，然后轉(zhuǎn)移到高磁場下進行測量。光核極化的過程與光泵法相似，通過光照射樣品實現(xiàn)原子核的超極化。但是光核極化的原理與光泵法是不同的。

以芳香族化合物為例，基態(tài)時所有電子成對處于單線態(tài)S0，進行光照時會激發(fā)形成激發(fā)態(tài)單線態(tài)S1，激發(fā)態(tài)單線態(tài)會在系間竄越(Inter-System Crossing，ISC)的作用下轉(zhuǎn)化為三線態(tài)T1。由于晶體中電子的自旋-軌道耦合的各項異性，三線態(tài)會裂分為三個能態(tài)(Tx、Ty、Tz零場裂分，Zero Field Splitting，ZFS)。三個能態(tài)在系間竄越時會產(chǎn)生不同的布居數(shù)，進而產(chǎn)生電子的極化(圖10a)。這一過程被稱作光電子極化(Optical Electron Polarization，OEP)。當施加特定的磁場時，電子的極化會在超精細耦合的作用下轉(zhuǎn)移給原子核，實現(xiàn)原子核的超極化57。

與光泵法相比，光核極化利用晶體的各項異性，在極化電子的過程中不需要磁場和極化光。在極化轉(zhuǎn)移的過程中光核極化需要外加磁場有特定的方向和大小，從而使極化轉(zhuǎn)移更為高效。

含有氮-空穴(NV)中心的金剛石是很好的光核極化系統(tǒng)。NV中心的結(jié)構(gòu)如圖10b所示，金剛石中相鄰的兩個碳原子一個缺失另一個被氮原子取代。NV中心也被稱為色心分為兩種，一種是中性NV中心包含5個電子(氮原子的孤對電子，與空穴相連的三個碳原子的懸鍵)，這種NV中心在Jahn-Teller效應的作用下對稱性較差，弛豫時間短。另一種是帶有一個負電荷的NV中心，其包含6個電子，電子軌道畸變小弛豫時間長58?，F(xiàn)階段被廣泛研究的是第二種帶有一個負電荷的NV中心，后面提到的NV中心也都是指這種NV中心。NV中心的基態(tài)為三線態(tài)(S = 1)，在磁場的作用下可裂分為三個能態(tài)對應ms= 0, ±1。但是由于NV中心擁有C3v的對稱性，在零磁場下ms= 0也會和ms= ±1發(fā)生裂分，其中ms= ±1的兩個能態(tài)是簡并的(圖10c)59。在光激發(fā)和系間竄越的作用下ms= 0的基態(tài)的布居數(shù)會不斷增大發(fā)生超極化(圖10d)60。

圖10 (a)分子晶體的光電子極化原理示意圖，其中Tx，Ty，Tz能級上面的圓形大小代表各個能級的布居數(shù)。(b)金剛石中的NV中心示意圖(灰色和黑色的球代表碳原子，藍色的求代表氮原子，綠色的空心圓代表空穴)。(c) NV中心的零場裂分和塞曼裂分。(d) NV中心的光電子極化原理示意圖60Fig. 10 (a) Level diagram of molecular crystal. Circle sizes stand for the population of Tx, Ty, and Tz. (b) Scheme of nitrogen-vacancy (NV) center, grey and black balls stand for carbon, blue is nitrogen, and green is vacancy. (c) Zero field splitting (ZFS) and Zeeman splitting of NV center. (d) Scheme of optical electron polarization of NV center 60.

NV中心的極化可以通過超精細耦合轉(zhuǎn)移給其附近的原子核。由于NV中心的能級裂分較大(零磁場下基態(tài)裂分為2.8 GHz)，超精細耦合作用不能有效的導致電子和原子核之間的極化轉(zhuǎn)移。為了實現(xiàn)有效的極化轉(zhuǎn)移可以通過以下幾種方法。第一種可以通過施加合適的外磁場使ms= ±1這兩個能級發(fā)生裂分，控制其中一個態(tài)的能量與ms= 0的能量相近從而發(fā)生有效的極化轉(zhuǎn)移61,62。第二種可以通過與微波照射的方法，施加一個頻率與NV中心能級裂分匹配的微波并調(diào)節(jié)微波的功率使Rabi頻率與原子核的Larmor頻率匹配(Hartmann-Hahn條件)63–65，這樣也能實現(xiàn)有效的極化轉(zhuǎn)移。另外還可以通過固態(tài)效應，激發(fā)禁阻的雙量子躍遷來完成極化轉(zhuǎn)移66。上面的這幾種方法對NV中心的空間取向的一致性要求比較嚴格，最近研究人員又提出了一種快速掃場的方法，可以實現(xiàn)納米金剛石這類空間取向隨機的NV中心的極化轉(zhuǎn)移67。值得注意的是現(xiàn)階段使用的NV中心超極化方法都是通過光檢測的方法完成的。首先通過NV中心將原子核極化，極化的原子核演化一段時間后再通過微波和激光技術(shù)將核自旋態(tài)映射成電子的自旋態(tài)，最后通過檢測體系的熒光來得到核自旋演化的信息68–70。

NV中心對原子核的超極化作用在未來可以被應用于單分子檢測和磁共振成像中。研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了29Si單自旋信號的觀測71。也有研究通過分析和模擬指出NV中心可以增強磁共振成像的信號72,73。

5 化學誘導動態(tài)核極化

化學誘導動態(tài)核極化(Chemical Induced Dynamic Nuclear Polarization，CIDNP)指在某些光激發(fā)或熱激發(fā)化學反應中核磁共振信號發(fā)生大幅增強。該現(xiàn)象最早在1967年由Bargon等人74和Ward等人75分別在苯甲酰過氧化物的分解和烷基鋰與鹵代烷的反應中發(fā)現(xiàn)。1969年自由基對機理的提出完美詮釋了大部分化學誘導動態(tài)核極化的現(xiàn)象76。這里將從CIDNP原理以及應用等方面對其進行簡單介紹。

5.1 CIDNP原理

5.1.1 自由基對機理(Radical Pair Mechanism，RPM)

化學誘導動態(tài)核極化都發(fā)生在熱激發(fā)或光激發(fā)化學反應中，這些化學反應都經(jīng)歷自由基對中間體。由于原子核對自由基電子的耦合作用，原子核自旋會影響自由基的反應活性。擁有不同核自旋的自由基會生成不同的產(chǎn)物，從而產(chǎn)生擁有極化的產(chǎn)物。

如圖11所示77，基態(tài)反應物在光激發(fā)下形成三重態(tài)前體，只有單重態(tài)的前體能夠重新結(jié)合成新的分子。在高磁場下三重態(tài)T0與單重態(tài)S在超精細耦合的作用下會發(fā)生混合，混合速率受到原子核的自旋態(tài)和兩個自由基電子Larmor頻率之差影響。假設(shè)原子核處于β態(tài)的自由基會更快的轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃貞B(tài)，則重新結(jié)合的反應物(或重排產(chǎn)物)會出現(xiàn)β態(tài)的富集產(chǎn)生發(fā)射峰。原子核處于α態(tài)的三重態(tài)在擴散作用下與其它反應物的自由基結(jié)合生成產(chǎn)物，出現(xiàn)吸收峰。

在低磁場和超精細耦合作用下，三重態(tài)T+或T?與單重態(tài)S的混合占主導。這種作用下會發(fā)生原子核自旋態(tài)會與電子態(tài)同時發(fā)生改變，三重態(tài)與單重態(tài)混合的同時，原子核的自旋態(tài)也會發(fā)生改變，從而產(chǎn)生極化78。

5.1.2 CIDNP線形

CIDNP主要有兩種極限線形，凈效應(net effects)線形和多重效應(multiplet effects)線形。凈效應作用下核磁共振信號峰形和相位與普通核磁共振下得到的相同，多重效應作用下的核磁共振信號呈現(xiàn)正負信號交替(圖12a)79。任何CIDNP的譜圖都可以分解成這兩種效應疊加的結(jié)果，凈效應和多重效應是解釋CIDNP結(jié)果最基礎(chǔ)也是最重要的部分。

圖11 CIDNP的原理77Fig. 11 Mechanism of CIDNP 77.

圖12 (a)乙腈溶劑中激發(fā)氧蒽雜酮與三乙胺發(fā)生的光反應產(chǎn)生的CIDNP凈效應和多重效應。圖示為產(chǎn)物N,N-二乙基乙烯胺的譜圖，上方為多重效應CIDNP；下方為凈效應CIDNP。圖示左半部分為HX信號，右半部分為HA和HB信號。(b)凈效應(下)與多重效應(上)示意圖77Fig. 12 (a) CIDNP net (bottom) and multiplet effects (top) in the photoreaction of excited xanthone with triethylamine in acetonitrile. Shown are spectra of the product N,N-diethylvinylamine (for the formula, see inset); left half, signals of HX; right half,signals of HA and HB); (b) level and population diagram of net (bottom) and multiplet (top) effects 77.

凈效應中自由基對中的兩個自由基電子的Larmor頻率不同，只有一個原子核與自由基電子存在超精細作用。此時三重態(tài)與單重態(tài)的混合速率受兩個電子頻率差和超精細耦合強度影響。原子核的自旋態(tài)會在三重態(tài)和單重態(tài)的轉(zhuǎn)換中富集在α態(tài)或β態(tài)，產(chǎn)生與普通核磁共振相同的線形。多重效應中自由基對中的兩個自由基電子的頻率相同，至少有兩個原子核與自由基電子存在超精細作用。此時三重態(tài)與單重態(tài)的混合速率只受超精細耦合強度影響。以自由基電子與兩個原子核存在超精細耦合作用為例，兩個原子核的自旋態(tài)會富集在平行態(tài)(|αα〉和|ββ〉 )或反平行態(tài)(|αβ〉和|βα〉)，呈現(xiàn)出四條正負交錯的譜線(圖12b)77。

CIDNP的線形可以通過Kaptein提出的相位運算規(guī)則80與產(chǎn)生機理相關(guān)聯(lián)從而推測化學反應機理，

其中Γne表示凈效應的相位符號，Γmu表示多重效應的相位順序，根據(jù)前體多重度符號μ；產(chǎn)物類型ε；自由基對兩個電子的頻率差Δg；i核與j核的位置信息σij；i核和j核與其所在自由基的電子的超精細耦合常數(shù)的符號ai，aj；i核和j核之間的自旋-自旋偶極耦合常數(shù)的符號Jij等參數(shù)符號能計算出凈效應或多重效應的相位符號。

結(jié)合極化強度和極化相位，我們可以判斷產(chǎn)物類型進而推測反應機理。而對于一些反應過程涉及到多個自由基反應，每一個自由基反應都可能涉及到相應的核自旋篩選整理，每一對自由基都繼承了上一對自由基前體的密度矩陣完整狀態(tài)，可能會存在一些不易觀測到的相位修正在下一步轉(zhuǎn)化成極化，因此這樣得到的CIDNP效應不再只是簡單地根據(jù)獨立自由基對壽命權(quán)重疊加，而是可能會出現(xiàn)比較有趣而不符合上述規(guī)律的CIDNP現(xiàn)象。

5.2 實驗方法與脈沖序列

目前應用化學誘導動態(tài)核極化的實驗方法大致可以分為兩種類型：一是不含時間的CIDNP實驗，二是時間分辨的CIDNP脈沖序列。兩種方法都需要先對樣品進行預飽和處理以消除不屬于反應體系的物質(zhì)背景信號(如未完全氘代的水、生物樣品中加入的高濃度穩(wěn)定劑等)。

對于不含時間的CIDNP實驗(圖13a)81，其優(yōu)點在于光照時間足夠長能保證激發(fā)得到的自由基數(shù)目足夠多進而保證實驗的靈敏度，操作簡單選擇性強，可以應用在任何脈沖上(包括一維和二維脈沖序列)，主要用于反應中間體、反應產(chǎn)物以及機理的研究。它的缺點是由于光照時間過長，樣品背景信號在這段時間內(nèi)弛豫進而對實驗造成不可避免的信號干擾。為此Goez等人通過在脈沖序列合適位置穿插180°回波脈沖使背景信號在零附近震蕩并在觀測脈沖作用時恰好處于零點，或通過調(diào)控在脈沖序列不同位置進行光照并設(shè)計相應相位循環(huán)來消除背景信號82。

時間分辨的CIDNP實驗(圖13b)81主要通過改變瞬時激光照射后的等待時間測得一系列CIDNP譜圖，然后將信號歸一化處理得到時間相關(guān)的CIDNP效應演化曲線來研究反應動力學過程。由于其光照時間短，光照時間范圍內(nèi)背景信號的弛豫可以忽略不計，然而激發(fā)的光子數(shù)目少導致相應CIDNP效應較弱，因此它面臨的最重要的挑戰(zhàn)就是提高靈敏度。除了增加掃描次數(shù)的方法，Goez等人為此設(shè)計了累計次閃光后的CIDNP效應單次采樣的方法極大程度提高了譜圖的靈敏度和信噪比83。

圖13 (a)不含時間(靜態(tài)) CIDNP簡單實驗脈沖示例。(b)時間分辨實驗方法示例，右邊為相應得到的CIDNP效應隨時間演化圖81。Fig. 13 (a) Principle of a CIDNP experiment without time resolution; (b) A time-resolved CIDNP experiment 81.

5.3 應用

傳統(tǒng)核磁方法能通過一維或多維核磁共振實驗得到物質(zhì)的化學位移、結(jié)構(gòu)信息以及動力學信息CIDNP的引入通過增強極化信號，能更明確獲取痕量分子或結(jié)構(gòu)組成復雜的大分子的結(jié)構(gòu)信息84。特別是CIDNP極化常用于研究溶液中的蛋白質(zhì)表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息、活性中心85，也常用于研究有機化學反應中的反應機理研究，確證自由基反應86。如通過定量處理CIDNP譜圖，可以得到自由基的超精細常數(shù)等物理參數(shù)，判斷反應中間體的結(jié)構(gòu)與類型，判斷是否發(fā)生化學反應87,88；根據(jù)CIDNP極化的符號和相位可以得到自由基前體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息以及產(chǎn)物類型、前體多重度、自由基相關(guān)參數(shù)符號等，進而推導反應機理89；通過時間分辨的CIDNP能進一步獲取與反應動力學相關(guān)的信息，如反應速率常數(shù)、電子轉(zhuǎn)移速率等90,91。

6 固體中的光化學誘導動態(tài)核極化

上一章中主要講了液體中的化學誘導動態(tài)核極化，通常由光激發(fā)或熱激發(fā)，對樣品分子量有較大限制，許多生物大分子由于其溶解度問題均不能通過這種方法進行信號增強進而進一步研究參與反應物質(zhì)結(jié)構(gòu)與反應過程，因此，發(fā)展固體條件下的化學誘導動態(tài)核極化實驗(下文簡稱固體photo-CIDNP)成了必須。由于固體反應體系受研究對象影響大且檢測條件較為嚴苛，直到1994年，Zysmilich和McDermott才在固態(tài)類球紅桿菌R26的光反應中心首次觀測到類似的化學誘導動態(tài)核極化譜圖92，證明了固體下的光化學誘導動態(tài)核極化效應的存在。隨后許多科學研究證明photo-CIDNP效應幾乎能在所有光合作用反應活性中心被觀測到；直到2010年，Thamarath等人在藍光受體向光素LOV1-C57S突變體上發(fā)現(xiàn)photo-CIDNP效應93，這是首次在非光合作用體系發(fā)現(xiàn)固體photo-CIDNP效應。固體photo-CIDNP研究可以提供電子基態(tài)經(jīng)過光循環(huán)之后的電子結(jié)構(gòu)和自由基對的電子結(jié)構(gòu)，對生物體系機理研究有重大意義。

6.1 固體photo-CIDNP原理

液體中的光化學動態(tài)核極化主要機理是自由基對機理，由擴散動力學驅(qū)動，不適用于固體光化學誘導動態(tài)核極化。固體photo-CIDNP可以由幾種機理結(jié)合解釋(圖14)94，包括三自旋混合(Threespin mixing，TSM)，弛豫差異(differential relaxation，DR)，衰變差異(differential decay，DD)，這些機理的共同點都是通過超精細相互作用將電子極化轉(zhuǎn)移到核極化。

6.1.1 三自旋混合機制(Three-Spin Mixing，TSM)

光誘導電子遷移產(chǎn)生自旋相關(guān)的自由基對。初始產(chǎn)生的自由基對是單重態(tài)且高度電子極化。電子-電子-核三自旋混合體系。在自由基對存活時間內(nèi)，體系由超精細相互作用的久期部分(A)、電子Larmor頻率差(ΔΩ)、電子之間的偶極耦合作用(D)驅(qū)動在S和T0態(tài)之間進行零量子躍遷，同時電子自旋極化在超精細相互作用的非久期部分(B)核電子之間偶極耦合(d)驅(qū)動下轉(zhuǎn)移到核極化上。為了更清晰地理解S-T0混合過程的哈密頓量變化，根據(jù)電子偶極耦合引入一個虛擬電子自旋S’ = 1/2，其兩個 自 旋 態(tài) 分 別 為 |α1β2〉和 |α2β1〉。 體 系 的Hamiltonian為，

其中ωI為原子核的Larmor頻率，S’i和Ii分別為虛擬電子和原子核相應方向的角動量算符。

根據(jù)各能級之間的能級差(圖15)95,96可以發(fā)現(xiàn)當2|ΔΩ| = 2|ωI| = |A|時，其中三個能級簡并，三自旋混合達到最大化，相應也使極化轉(zhuǎn)移達到最大效果。然而，當電子與核之間的超精細相互作用非久期部分B為0時，電子極化轉(zhuǎn)移到核極化的驅(qū)動消失，因此TSM效應消失；同樣，當電子-電子偶極耦合過大時，S態(tài)和T0態(tài)趨向于形成其相應本征態(tài)，TSM效應消失95,96。

圖14 產(chǎn)生固態(tài)光化學誘導動態(tài)核極化的三種機制94Fig. 14 Three mechanisms (TSM, DD, DR) to produce solid state photo-CIDNP effects 94.

圖15 三自旋混合體系能級分布圖：電子的四種能級符合玻爾茲曼分布；光激發(fā)后，S態(tài)完全極化，并通過三自旋混合機制進行系間竄越達到S-T0平衡，S-T0混合的能級由于電子塞曼相互作用差異、電子-核超精細相互作用、核塞曼相互作用以及電子-電子偶極作用裂分為4個能級95,96Fig. 15 Energy levels of the radical pairs in electronelectron-nuclear three-spin mixing. The four quantum states of the S-T0 manifold are split due to the differences of the Zeeman interaction of both electron spins,the hyperfine coupling to the nuclear spin, the nuclear Zeeman interaction, and the coupling between the two electron spins 95,96.

6.1.2 衰變差異(Differential Decay，DD)

在衰變差異機理中，光化學和自旋動力學共同作用產(chǎn)生極化效應。TSM機理中是基于電子-電子偶極耦合作用構(gòu)建了一個虛擬自旋S’，在DD中，根據(jù)三重態(tài)自由基對和單重態(tài)自由基對不同的壽命TT、TS建立虛擬自旋S’的極化，同樣經(jīng)由超精細相互作用的非久期部分B將電子自旋極化轉(zhuǎn)移到核凈極化。根據(jù)其極化機理可知，DD機理允許電子偶極相互作用d = 0，但當電子塞曼相互作用頻率差或超精細相互作用的久期部分A = 0時DD效應消失。與TSM機理類似，DD機理也要求頻率匹配2|ωI| = |A|，它的效率取決于由Δg和超精細相互作用驅(qū)動的自由基系間竄越時間尺度與自由基衰變時間尺度的匹配程度。當頻率完全匹配，DD效率最大時，其誘發(fā)的photo-CIDNP極化與TSM機理下的photo-CIDNP極化大小相等方向相反97。

6.1.3 弛豫差異(Differential Relaxation，DR)

弛豫差異機理中，由于部分三重態(tài)衍生的極化在三聯(lián)體供體存在期間發(fā)生弛豫導致三重態(tài)自由基對和單重態(tài)自由基對產(chǎn)生的方向相反的極化無法相互抵消進而產(chǎn)生凈極化98。這要求特殊對三聯(lián)體中核的縱向弛豫時間縮短至與三聯(lián)體的壽命相當；然而由于特殊對三聯(lián)體中核的縱向弛豫是未知的，因此難以預測DR機制下的CIDNP效應對總體CIDNP效應的貢獻。早期很多實驗觀測到的photo-CIDNP效應都很難用DR機理解釋；2006年P(guān)rakash課題組99發(fā)現(xiàn)在WT型細菌反應活性中心和R26型反應活性中心的極化模式差異可以用DR機理完美解釋且后續(xù)做了許多相應研究；WT型三聯(lián)體壽命100 ns，R26型三聯(lián)體100 μs，如圖16所示，WT型CIDNP極化相位一致而R26型部分極化相位反向，排除TSM與DD機理作用，說明DR機理在WT型反應中心CIDNP效應中的貢獻明顯弱于R26。這也表明核自旋弛豫時間對超精細耦合作用的依賴性與順磁弛豫的預期效率是一致的。

6.2 固體photo-CIDNP應用

由于固體photo-CIDNP的研究起步較晚，進展較慢，早期研究大部分集中于生物體的光合作用活性中心，主要應用有如下幾個方面：Photo-CIDNP效應對譜圖信噪比大幅度提高有助于通過二維譜研究反應體系中痕量存在特殊自由基對的電子結(jié)構(gòu)100；對生物體整個細胞甚至植物的光合系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)研究101；并通過對信號弛豫的研究進一步確證生物大分子結(jié)構(gòu)特性，通過研究photo-CIDNP極化的場依賴型可以得到關(guān)于自由基對壽命的相關(guān)信息，如圖16所示94。同時，與液體中的CIDNP效應類似，固體中的photo-CIDNP也可以通過時間分辨的脈沖序列研究反應動力學過程，通過計算極化的強度可以得到單重態(tài)或三重態(tài)反應前驅(qū)體的信息。新發(fā)展的能將高度photo-CIDNP極化轉(zhuǎn)移到鄰近核的“spin-torch”實驗更是有助于人們進一步對自由基對周邊的環(huán)境信息進行精準研究102，如研究輔因子周圍的蛋白質(zhì)信息等等。固體photo-CIDNP在非光合作用體系的應用目前還只局限于向光素LOV1-C57S的藍光受體上，發(fā)展普適性的photo-CIDNP信號增強技術(shù)還面臨巨大挑戰(zhàn)。

圖16 醌耗盡的R26型(左)和WT型(右)類球紅桿菌反應活性中心在不同磁場下的photo-CIDNP譜圖(紅色)與正常核磁譜圖(黑色)。a，b，c，d從上到下分別對應磁場強度17.6、9.4、4.7、2.4 T 94Fig. 16 13C MAS NMR spectra of quinone depleted RCs of R.sphaeroides R26 (left) and WT (right) in the dark (black) and under illumination (red) at 17.6 T (a), 9.4 T (b), 4.7 T (c), and 2.4 T (d) 94.

7 仲氫誘導極化(Parahydrogen Induced Polarization，PHIP)

1981年，Bryndza在探究碳基鈷炔烴絡(luò)合物的加氫反應的過程中，意外地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的1H NMR譜圖中信號有奇妙的反相增強現(xiàn)象103。當時該現(xiàn)象被認為是化學誘導動態(tài)核極化(CIDNP)效應所引起，因此當時得到的結(jié)論是該反應體系伴隨著自由基的生成。除此自外，Bryndza的研究還發(fā)現(xiàn)在40 K條件下，向反應系統(tǒng)通入氫氣時間越長，信號增強效果越顯著。直至1986年，Bowers和Weitekamp通過理論計算研究表明使用仲氫富集的氫氣進行加氫反應，可實現(xiàn)NMR信號的有效增強104。他們?yōu)榇藰O化效應命名為PASADENA(Parahydrogen And Synthesis Allow Dramatically Enhanced Nuclear Alignment)，很好地解釋了此前Bryndza在實驗中所觀測到的NMR信號增強現(xiàn)象。隨后，PASADENA效應在實驗上也被證實105,106。1988年，Pravica和Weitekamp報道了另一類NMR超極化實驗。使用富集仲氫的氫氣在地磁場(弱磁場)下進行加氫反應，并隨后轉(zhuǎn)移到NMR儀器磁體腔體內(nèi)進行信號檢測，可獲得區(qū)別于PASADENA的信號增強效應，該類實驗被稱為ALTADENA(Adiabatic Longitudinal Transport After Dissociation Engenders Nuclear Alignment)107。1990年，有關(guān)仲氫的此類超極化實驗被統(tǒng)稱為仲氫誘導極化(PHIP，Parahydrogen Induced Polarization)108。

7.1 仲氫

核自旋變體是由于分子中對稱位置上的同種原子的核自旋狀態(tài)的不同而引變出的新分 子。氫分子有兩種核自旋變體，分別為正氫(ortho-H2)和仲氫(para-H2)。對于氫氣分子，當分子中兩個相同的氫原子相互交換時(即位置進行反演的同時自旋互相交換)，根據(jù)泡利不相容原理，分子的總的波函數(shù)要求是反對稱的。而分子總的波函數(shù)的對稱性只取決于轉(zhuǎn)動波函數(shù)與核自旋波函數(shù)對稱性的改變。因此，當核自旋波函數(shù)是對稱時，對應著反對稱的轉(zhuǎn)動波函數(shù)(轉(zhuǎn)動角量子數(shù)J為奇數(shù))，此類氫氣分子稱為正氫；當核自旋波函數(shù)是反對稱時，對應著對稱的轉(zhuǎn)動波函數(shù)(轉(zhuǎn)動角量子數(shù)J為偶數(shù))，此類氫氣分子稱為仲氫。仲氫，對應于單線態(tài)，總的核自旋量子數(shù)I = 0，自旋波函數(shù)為：

正氫，對應于三線態(tài)，總的核自旋量子數(shù)I=1,自旋波函數(shù)為：

正氫-仲氫，兩種自旋異構(gòu)體在常溫下較穩(wěn)定，但隨著溫度的變化兩者的平衡濃度會隨之改變。然而，改變溫度使自調(diào)節(jié)達到平衡的過程非常緩慢，通常加入催化劑可有效加速兩者的相互轉(zhuǎn)變。常溫常壓下，普通氫氣中仲氫與正氫的組成之比約為1 : 3。普通氫氣在經(jīng)過液氮冷卻并通過氧化鐵催化劑催化，可獲得50%仲氫富集的氫氣。Schwartz等發(fā)現(xiàn)，在77 K下，基于低催化活性的改性沸石吸附劑可實現(xiàn)正氫/仲氫的高效分離，最高可實現(xiàn)85%仲氫的富集109。這種方法雖然也是利用沸石對正氫和仲氫吸附能力的不同而完成兩個物種的分離。但是他們通過改性沸石，減少其中的順磁缺陷(順磁缺陷可以加速仲氫向正氫的轉(zhuǎn)變)并且優(yōu)化氫氣通過催化劑的流速獲取最大的仲氫比例。Tom等通過搭建一種新型的仲氫轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)以～0.4 L?min?1的速率連續(xù)產(chǎn)出豐度> 99.99%的高純仲氫110。

圖17 AX雙自旋體系能級模型示意圖：(a)標準NMR；(b) PASADENA；(c) ALTADENA 111Fig. 17 Level diagrams of AX spin systems: (a) standard NMR; (b) PASADENA; (c) ALTADENA 111.

7.2 PHIP的基本原理

仲氫分子(para-H2，I = 0)本身是不具有NMR信號的，NMR譜圖上觀察到的的氫氣的1H NMR信號(通?！?4.5 ppm)均來源于正氫(ortho-H2，I = 1)?？紤]氫氣分子中的兩個氫核，對應雙自旋系統(tǒng)，對于一般的NMR實驗，在熱平衡狀態(tài)下自旋布居數(shù)在四個自旋能級(αα，αβ，βα，ββ)上的分布滿足Boltzmann分布。如圖17a111所示，對應可能發(fā)生的4種躍遷，反映在譜圖上的是相應頻率的兩個雙重峰(doublets)。當進行PASADENA實驗時，para-H2在強磁場下進行加成反應，對于產(chǎn)物分子中兩個來源于仲氫的氫核(AX型自旋系統(tǒng))，自旋布居只集中在于αβ與βα兩個能級。同樣地，可能發(fā)生的4種躍遷(圖17b)111對應著譜圖上的兩個反相雙重峰(antiphase doublets)。但相比于一般的NMR實驗，由于自旋布居數(shù)的差異的增大，NMR信號得以提升。當進行ALTADENA實驗時，para-H2在低場下進行加氫反應，并迅速轉(zhuǎn)移至NMR儀器磁場下進行信號檢測。在這種情況下，產(chǎn)物分子的自旋系統(tǒng)是在低場下形成的，表現(xiàn)出強耦合作用。此時迅速轉(zhuǎn)移至高場，自旋布居只集中在αβ或βα其中一個能級。最后可能發(fā)生的躍遷只有2種，譜圖上表現(xiàn)出相應頻率的兩個反相單重峰(如圖17c所示)111。通過簡單的自旋能級模型的分析，若要實現(xiàn)超極化，仲氫必須是成對低轉(zhuǎn)移至產(chǎn)物分子中。若產(chǎn)物分子中的H原子分別來源于不同的H2分子，αα、ββ、αβ和βα是同等的，最后造成能級間的布居數(shù)差異減小，無法實現(xiàn)極化的效果。

7.3 PHIP的應用

PHIP是基于將仲氫加成至不飽和化合物上來獲得NMR信號增強的一種技術(shù)，是研究加氫反應催化機理的有力手段。Yao等以乙炔的加氫反應為例，考察了氫氣通入方式、反應溫度和反應壓強對PHIP實驗中核磁共振信號增強效果的影響112。Stepanov等通過CF MAS NMR (Continuous Flow Magic Angle Spinning NMR)對Pt催化丁烯的加氫反應體系實現(xiàn)了PHIP效應的觀測，同時對體系中的氣相產(chǎn)物和吸附物進行直接檢測，進一步地驗證了Pt催化劑體系H2成對加成的反應機理113。此外，基于PHIP可有助于新型催化劑的開發(fā)。Deng等研究了Pd-Au雙金屬催化劑的制備方法、化學組成及結(jié)構(gòu)對加氫反應活性和PHIP效率的影響114,115。

PHIP可以通過極化轉(zhuǎn)移實現(xiàn)13C、15N等稀核的信號增強，可用于研究生物代謝反應及過程等。Goodson等通過Rh/TiO2催化劑催化神經(jīng)堿的加氫反應實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移15N超極化，可實現(xiàn)在低場下進行NMR信號檢測，并發(fā)現(xiàn)全氘代的神經(jīng)堿可有效延長PHIP效應的壽命116。Chekmenev等通過一種氘代前體的仲氫加成反應，可有效實現(xiàn)PHIP13C極化轉(zhuǎn)移，靈敏度提升了超過107倍117。

人們也開發(fā)了可以利用PHIP信號增強的造影劑，提高磁共振成像(MRI)的檢測速度和靈敏度118；此外，PHIP在低場或零場NMR、痕量分析、量子計算以及化學指紋等方面有著廣泛的應用119–121。