《Journal of Magnetic Resonance》：17O quadrupolar chemical exchange saturation transfer (Q-CEST) NMR for investigations of molecular dynamics in solids
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17O Q-CEST方法用于研究NaNO3中氧原子三位點跳躍及蛋白纖維周圍水分子四重體翻轉動力學，結合模擬和理論分析驗證了該方法在微秒至納秒時間尺度上的應用有效性，為固體分子動力學提供新工具。
Liliya Vugmeyster|Karen Basaves|Riqiang Fu|Sean T. Holmes|Dmitry Ostrovsky
美國科羅拉多大學丹佛分校化學系，丹佛，CO 80204
摘要
我們引入了四極化化學交換飽和轉移（Q-CEST）技術，用于研究半整數四極化核（如氧-17），作為固體分子動力學研究的補充核磁共振（NMR）工具。通過對模型化合物NaNO3以及由pyro-glutamate E3 Amyloid-β蛋白形成的纖維中的水分子的實驗，并結合模擬和理論方法，我們獲得了分子運動的參數。我們確定了NaNO3中氧原子進行三位置跳躍的速率常數，以及在水分子靠近蛋白質表面且在低于冰點溫度時進行四面體跳躍的速率常數和種群分布。檢測主要集中在中心躍遷（CT）上。然而，在飽和過程中，發射器會掃描一個寬頻率范圍，從而能夠觀察到第一個衛星躍遷。我們對CT Q-CEST信號進行了詳細分析，這些信號涵蓋了大約發生在微秒和納秒時間尺度上的兩個動態躍遷，并特別關注了二階四極相互作用動態平均效應的正確處理。
引言
由于氧在多種材料和生物分子化合物中的重要性，開發針對17O核的NMR方法是一個活躍的研究領域[1]、[2]。17O核的動力學特性可以提供關于分子在關鍵位置靈活性的重要信息。17O是半整數四極化核，自旋為5/2，其四極耦合常數（）范圍很廣，可達到數十MHz。自旋物理特性主要由四極相互作用決定，Pound在早期研究中對此進行了詳細探討[3]。這種相互作用不影響中心躍遷（CT），即mz = +1/2態與mz = ?1/2態之間的躍遷；因此，許多研究利用CT檢測技術來利用相對較窄的線形特征[2]。
在這項工作中，我們引入了17O四極化化學交換飽和轉移（Q-CEST）方法，主要用于在靜態（非自旋）條件下研究分子動力學。在溶液NMR中，CEST是揭示次要構象狀態的主要技術之一[4]、[5]，也被應用于固態NMR的不同領域[6]、[7]，包括2H Q-CEST[8]、[9]。在寬的偏離共振條件下，沿橫向軸施加弱射頻輻射，覆蓋整個CT區域甚至更寬的范圍（包括衛星躍遷ST）。然后，將產生的縱向磁化轉移到橫向平面，在CT光譜區域進行檢測。Wimperis及其同事[10]也提出了類似的實驗，用于觀察在偏離共振自旋鎖定狀態下自旋為3/2和5/2的核的相干相互作用演變。
我們詳細介紹了實驗和計算方法，并結合了理論分析。在理論闡述中，我們特別關注了在快速運動極限下正確處理二階四極相互作用平均效應的問題，這會導致17O線形中出現的第二個動態躍遷[11]。我們展示了兩種情況的實驗結果和相應的計算處理結果。第一種情況是NaNO3中的17O核進行三位置跳躍（圖1A），該化合物被用作驗證該方法有效性的模型。此前已經通過線形分析在413至173 K溫度范圍內評估了速率常數[11]，并通過實驗室測量和旋轉框架測量在280至195 K溫度范圍內獲得了17O的弛豫時間（、和）[12]。我們將新的17O Q-CEST測量結果與其他類型實驗得到的趨勢進行了比較，證明這些速率常數是一致的。第二種情況是含有病理性pyroglutamate-3翻譯后修飾（pyro-E3 Aβ）的Amyloid-β纖維中的水分子動力學，這種修飾與阿爾茨海默病有關[13]。我們之前使用17O的和測量在低溫下評估了這些纖維的水合殼層動力學[14]。在這項工作中，我們用新的17O CT Q-CEST測量結果補充了之前的研究，并比較了低溫下蛋白質表面附近水分子四面體重定向的速率常數。在水合物的冰點以下，水分子的四面體重定向對動力學變化最為敏感（圖1B）。
材料
晶體相的NaNO3樣品由皇后大學的Gang Wu教授提供，并按照參考文獻[11]中的方法制備。此外，Beewerth等人使用相同的制備協議測得的17O同位素摻入程度為4.5%[15]，因此分子內的17O–17O耦合較為罕見。17O核之間的同核偶極耦合通常很小，對于一對分子內的氧原子來說大約為60 Hz
理論
在橫向場的作用下，雙旋轉框架中的哈密頓量的長期部分表示為，其中是橫向場的偏移頻率，是四極哈密頓量的長期部分，是橫向場的強度。四極哈密頓量包括一階和二階項，，其中二階四極項源于平均哈密頓量理論中的Magnus展開[30]。
結論
當分子動力學過程發生在微秒或納秒時間尺度上時，17O Q-CEST結合CT檢測技術可以成為研究分子固體動力學的有效工具。這些運動通過調節線形強度和寬度來影響最終的飽和曲線。Q-CEST方法與線形分析和弛豫測量相結合，有助于確定復雜系統中分子的運動機制和時間尺度。
該方法的主要優勢之一是其廣泛應用性
CRediT作者貢獻聲明
Liliya Vugmeyster：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿撰寫，驗證，監督，資源協調，項目管理，方法學設計，實驗設計，資金申請，數據分析，概念構思。Karen Basaves：數據分析。Riqiang Fu：撰寫 – 審稿與編輯，方法學設計。Sean T. Holmes：撰寫 – 審稿與編輯，方法學設計。Dmitry Ostrovsky：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿撰寫，軟件開發，方法學設計，實驗設計，數據分析。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了National Institutes of Health的資助（項目編號：1R15GM157635-01A1）。實驗在National High Magnetic Field Laboratory進行，該實驗室得到了NSF Cooperative Agreement（NSF/DMR-2128556）、佛羅里達州政府以及U.S. Department of Energy的支持。
