金刚石转子或可为蛋白质研究带来新的进展

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几十年来，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR) 波谱一直是研究复杂生物化合物原子结构的关键技术之一。最流行的技术，固态核磁共振，包括将待分析的材料放入微小的圆柱形转子中，然后旋转到高频。然而，固态核磁共振的最大限制是转子在破碎前旋转的速度，这取决于转子材料的强度。

现在，来自MIT比特与原子中心和MIT化学系的研究人员找到了一种用单晶制造转子的方法。这些转子比已经使用的转子更小、更坚固。该研究的作者说，它们还可以以高得多的频率旋转，从而提高分辨率，缩短样本采集时间。他们的研究发表在《磁共振杂志》2023年7月号上（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1090780723001106?via=ihub）。

固态核磁共振使用的技术之一是魔角旋转，它提供了改进的分辨率和灵敏度。在这种技术中，在圆柱体中填充被分析的材料后，将其悬浮在磁场中，并在受到射频脉冲时使用（通常是）氮气射流进行旋转。圆柱体相对于所施加的磁场以54.74度的“神奇”角度旋转，在这个角度最容易获得最清晰的原子结构测量结果。

在过去的几十年里，魔角旋转核磁共振的转子一直由高性能陶瓷材料钇稳定的氧化锆（YSZ）制成。这些转子直径小至0.7毫米，约为铅笔芯大小，中间有一个孔用于试样，其最大转速约为111千赫，即每分钟700万转。在这些速度下，YSZ转子往往会在大约一半的时间内发生故障，特别是它们会与样品和NMR线圈一起爆炸。该论文的作者之一Zachary Fredin说：“固态核磁共振已经存在很长一段时间了，这样会丢失一个样本，会破坏核磁共振线圈。”

一段时间以来，用单晶金刚石制造转子一直被视作一个有趣的选择，因为金刚石不仅非常坚韧，而且对太赫兹辐射的渗透性也高得多，并且具有良好的导热性。挑战一直是如何在金刚石晶体中钻出高纵横比的孔。2019年，当时在比特与原子中心的学生Prashant Patil发现了一种使用激光微机械加工钻这种孔的方法。Fredin说，这是一个相当出乎意料的结果，它为制作用于魔角旋转核磁共振的金刚石转子铺平了道路。

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与YSZ转子一样，金刚石转子的直径为0.7毫米，但它们可能旋转得更快。Fredin说：“理论上，金刚石（转子）的转速应该是YSZ转子的三到四倍，我们应该能够舒适地旋转到250或300 kHz。”。然而，在他们的测试中，研究人员只能旋转高达124千赫（或850万转/分），因为他们受到了驱动气体氮气的音速的限制。

MIT化学系的研究生、另一位合著者Natalie Golota说：“轴承系统中存在相当大的摩擦，这是这里的首要考虑因素。我们不希望转子的速度超过音速，因为（在这个速度下）会有明显的动荡。使用氦气可以使自旋频率快三倍，因为氦气的音速大约是氮气的三倍。”

但当研究人员用氮气和氦气、纯氦气的组合测试转子时，他们遇到了另一个设计限制。支撑转子的空气轴承中的孔是为氮气设计的。Golota说：“我认为我们剩下的最大挑战是，我们需要拥有与氦气兼容的轴承系统，并改变转子轴承的动态特性，这样我们才能真正利用氦气声速的提高，”她补充道，“这将是一个“游戏规则的改变者”。一个含有100%氦气的金刚石转子……也可以为我们提供非常高分辨率的数据，以及大量关于样本的强大信息。”

这个由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助的项目背后的主要驱动力是更好地了解蛋白质的三维结构。Golota说：“例如，我们想了解阿尔茨海默病和其他淀粉样蛋白驱动的疾病中蛋白质的结构。但我们也可以利用这一点来研究不同的病毒性疾病和基于膜蛋白的疾病。”

她说，还有其他潜在的应用，例如在困难的传热环境、其他生物光谱、微电子制造等中。“我们已经非常善于控制非常小的钻石物体并准确地加工它们，所以我们肯定仍在研究这一点。” 这项新技术有可能改变我们未来进行固态核磁共振实验的方式，在分辨率和灵敏度方面开启前所未有的实验机会。