取代富勒烯實(shí)現(xiàn)無(wú)取向光學(xué)核超極化：邁向高靈敏度MRI診斷新途徑

《Nature Communications》：Substituted Fullerenes for Enhanced Optical Nuclear Hyperpolarization in Random Orientations

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來(lái)源：Nature Communications 15.7

　　

在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，磁共振成像(MRI)技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射的特點(diǎn)而備受青睞。然而，其靈敏度不足一直是制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。動(dòng)態(tài)核極化(DNP)技術(shù)通過(guò)將電子自旋的極化轉(zhuǎn)移至核自旋，可顯著提升MRI的檢測(cè)靈敏度。傳統(tǒng)DNP技術(shù)需要極端條件（6.7 T磁場(chǎng)、1.4 K低溫）才能獲得高電子自旋極化度，而基于光激發(fā)三重態(tài)電子的三重態(tài)-DNP技術(shù)可在更高溫度下實(shí)現(xiàn)核超極化。但該技術(shù)面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：為實(shí)現(xiàn)有效的極化轉(zhuǎn)移，需要將摻雜極化劑的單晶樣品精確取向在磁場(chǎng)中，這不僅操作繁瑣，且難以在實(shí)際醫(yī)療場(chǎng)景中推廣應(yīng)用。

針對(duì)這一難題，日本多個(gè)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表了創(chuàng)新性研究成果。他們另辟蹊徑，從分子設(shè)計(jì)入手，開(kāi)發(fā)了一類新型極化劑——取代富勒烯，成功在無(wú)序取向體系中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)14.2%的¹H核極化度，突破了10%的實(shí)用化門檻。

研究人員采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)方法：通過(guò)高效液相色譜(HPLC)分離純化不同取代模式的富勒烯衍生物；利用時(shí)間分辨電子自旋共振(ESR)技術(shù)在140 K條件下表征各衍生物的自旋弛豫行為；基于ORCA軟件進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算，分析勢(shì)能面與偽旋轉(zhuǎn)抑制機(jī)制；采用集成固體效應(yīng)(ISE)序列在100 K條件下進(jìn)行三重態(tài)-DNP實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)¹H NMR信號(hào)評(píng)估極化效果。

取代富勒烯的設(shè)計(jì)策略與偽旋轉(zhuǎn)抑制機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)選擇富勒烯衍生物作為極化劑，因其大共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較小的零場(chǎng)分裂(ZFS)參數(shù)，從而產(chǎn)生窄ESR線寬。然而，未修飾C₆₀因高度對(duì)稱性導(dǎo)致偽旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使得三重態(tài)電子自旋-晶格弛豫時(shí)間(T_1e)過(guò)短（僅2.2 μs），無(wú)法滿足ISE序列對(duì)弛豫時(shí)間的要求。通過(guò)系統(tǒng)研究單取代(ICMA)和雙取代(ICBA)富勒烯衍生物，發(fā)現(xiàn)特定取代位點(diǎn)能有效抑制偽旋轉(zhuǎn)。理論計(jì)算表明， equatorial、trans-3和trans-4型異構(gòu)體具有單勢(shì)阱勢(shì)能面，且T₁/T₂態(tài)間最小能量交叉點(diǎn)較高，從而抑制了分子振動(dòng)導(dǎo)致的ZFS主軸 fluctuation。

取代模式對(duì)ESR特性與自旋弛豫的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙取代富勒烯的T_1e顯著延長(zhǎng)。特別是trans-3a異構(gòu)體的平均弛豫時(shí)間(T_1e,ave)達(dá)到87.3 μs，較未修飾C₆₀提升近40倍。所有ICBA異構(gòu)體均呈現(xiàn)接近100%的自旋極化度，這源于分子對(duì)稱性導(dǎo)致的各向異性系間竄越(ISC)。ESR譜線寬均小于10 mT，遠(yuǎn)低于并五苯衍生物（約50 mT），確保更多自旋包絡(luò)滿足ISE序列的共振條件。

三重態(tài)-DNP性能驗(yàn)證

在無(wú)序取向的o-三聯(lián)苯(OTP)玻璃基質(zhì)中，ICBA trans-3a表現(xiàn)出最優(yōu)的DNP性能。其¹H NMR信號(hào)初始增長(zhǎng)梯度為1.83×10^-15s^-1，分別是并五苯和DTP的21倍和3.6倍。在部分氘化基質(zhì)(OTP:[D₁₄]OTP=10:90 wt%)中，經(jīng)過(guò)420 s極化后獲得14.2%的¹H極化度，對(duì)應(yīng)22,000倍的NMR增強(qiáng)因子，創(chuàng)下非晶材料的最高紀(jì)錄。該值接近理論計(jì)算的三重態(tài)電子自旋平均極化度(21%)，表明極化轉(zhuǎn)移效率接近極限。

1H極化積累曲線及最大極化度。(a)不同極化劑在OTP中的¹H NMR信號(hào)積累曲線；(b)ICBA trans-3a在部分氘化OTP中的極化積累曲線。'>

該研究通過(guò)分子對(duì)稱性調(diào)控策略，成功解決了富勒烯類材料在三重態(tài)-DNP應(yīng)用中T_1e過(guò)短的難題。取代富勒烯兼具窄ESR線寬和長(zhǎng)弛豫時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)序體系中實(shí)現(xiàn)了超越實(shí)用閾值的核極化度。這一突破為開(kāi)發(fā)無(wú)需低溫設(shè)備和精確取向控制的便攜式超極化MRI儀器奠定了材料基礎(chǔ)。未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化取代基團(tuán)與基質(zhì)相容性，有望實(shí)現(xiàn)生物相容性基質(zhì)中MRI探針（如丙酮酸鹽）的高效超極化，推動(dòng)三重態(tài)-DNP技術(shù)走向臨床實(shí)用化。