取代富勒烯實現(xiàn)無取向光學核超極化：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 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在醫(yī)學診斷領(lǐng)域，磁共振成像(MRI)技術(shù)因其無創(chuàng)、無輻射的特點而備受青睞。然而，其靈敏度不足一直是制約其發(fā)展的瓶頸問題。動態(tài)核極化(DNP)技術(shù)通過將電子自旋的極化轉(zhuǎn)移至核自旋，可顯著提升MRI的檢測靈敏度。傳統(tǒng)DNP技術(shù)需要極端條件（6.7 T磁場、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)可在更高溫度下實現(xiàn)核超極化。但該技術(shù)面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：為實現(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中，這不僅操作繁瑣，且難以在實際醫(yī)療場景中推廣應(yīng)用。

針對這一難題，日本多個研究機構(gòu)聯(lián)合團隊在《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)計入手，開發(fā)了一類新型極化劑——取代富勒烯，成功在無序取向體系中實現(xiàn)了高達14.2%的¹H核極化度，突破了10%的實用化門檻。

研究人員采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)方法：通過高效液相色譜(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軟件進行量子化學計算，分析勢能面與偽旋轉(zhuǎn)抑制機制；采用集成固體效應(yīng)(ISE)序列在100 K條件下進行三重態(tài)-DNP實驗，并通過¹H NMR信號評估極化效果。

取代富勒烯的設(shè)計策略與偽旋轉(zhuǎn)抑制機制

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

取代模式對ESR特性與自旋弛豫的影響

實驗結(jié)果表明，雙取代富勒烯的T_1e顯著延長。特別是trans-3a異構(gòu)體的平均弛豫時間(T_1e,ave)達到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，這源于分子對稱性導致的各向異性系間竄越(ISC)。ESR譜線寬均小于10 mT，遠低于并五苯衍生物（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性能驗證

在無序取向的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信號初始增長梯度為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420 s極化后獲得14.2%的¹H極化度，對應(yīng)22,000倍的NMR增強因子，創(chuàng)下非晶材料的最高紀錄。該值接近理論計算的三重態(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。'>

該研究通過分子對稱性調(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過短的難題。取代富勒烯兼具窄ESR線寬和長弛豫時間的優(yōu)勢，在無序體系中實現(xiàn)了超越實用閾值的核極化度。這一突破為開發(fā)無需低溫設(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)。未來通過進一步優(yōu)化取代基團與基質(zhì)相容性，有望實現(xiàn)生物相容性基質(zhì)中MRI探針（如丙酮酸鹽）的高效超極化，推動三重態(tài)-DNP技術(shù)走向臨床實用化。