麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法來顯著提高核磁共振光譜(NMR)的靈敏度，這種技術(shù)用于研究多種分子的結(jié)構(gòu)和組成，包括與阿爾茨海默氏癥和其他疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)。

Arthur Amos Noyes化學(xué)教授羅伯特格里芬說，使用這種新方法，科學(xué)家們應(yīng)該能夠在幾分鐘之內(nèi)分析以前需要多年才能破譯的結(jié)構(gòu)。這種新方法依賴于微波功率的短脈沖，可以讓研究人員確定迄今為止難以研究的許多復(fù)雜蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

該研究的資深作者格里芬說：“這項技術(shù)應(yīng)該開辟了目前無法進(jìn)入的化學(xué)，生物，材料和醫(yī)學(xué)科學(xué)的廣泛領(lǐng)域。”

MIT postdoc Kong Ooi Tan是該論文的主要作者，該論文于1月18日出現(xiàn)在Sciences Advances上。前麻省理工學(xué)院博士后陳陽和Guinevere Mathies以及Bruker BioSpin公司的Ralph Weber也是該論文的作者。

增強(qiáng)靈敏度

傳統(tǒng)的核磁共振利用原子核的磁性來揭示含有這些核的分子的結(jié)構(gòu)。通過使用與氫的核自旋和其他同位素標(biāo)記的原子(例如碳或氮)相互作用的強(qiáng)磁場，NMR測量稱為這些核的化學(xué)位移的性狀。這些偏移對于每個原子都是獨(dú)特的，因此可以作為指紋，可以進(jìn)一步利用這些指紋來揭示這些原子是如何連接的。

核磁共振的靈敏度取決于原子的極化 - 每個自旋系統(tǒng)中“向上”和“向下”核自旋的總體差異的測量。極化越大，可以實(shí)現(xiàn)的靈敏度越高。通常情況下，研究人員試圖通過施加更強(qiáng)的磁場來增加樣品的極化，最高可達(dá)35特斯拉。

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心的Griffin和Richard Temkin在過去25年中開發(fā)的另一種方法是使用稱為動態(tài)核極化(DNP)的技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)極化。該技術(shù)涉及將來自自由基的未配對電子的極化轉(zhuǎn)移到所研究的樣品中的氫，碳，氮或磷核。這增加了極化并使得更容易發(fā)現(xiàn)分子的結(jié)構(gòu)特征。

DNP通常通過使用稱為回旋管的儀器用高頻微波連續(xù)照射樣品來進(jìn)行。這將NMR靈敏度提高了約100倍。然而，這種方法需要很大的功率，并且在較高的磁場下不能很好地工作，這可以提供更高的分辨率改進(jìn)。

為了克服這個問題，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊提出了一種方法來提供微波輻射的短脈沖，而不是連續(xù)的微波輻射。通過以特定頻率提供這些脈沖，它們能夠?qū)O化強(qiáng)度提高200倍。這類似于傳統(tǒng)DNP所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，但它僅需要7%的功率，與傳統(tǒng)的DNP不同，可以在更高的磁場下實(shí)現(xiàn)。

“我們可以通過有效利用微波輻射以非常有效的方式轉(zhuǎn)移極化，”Tan說。“對于連續(xù)波照射，你只需要激發(fā)微波功率，你無法控制相位或脈沖長度。”

節(jié)約時間

研究人員表示，隨著靈敏度的提高，以前需要近110年才能分析的樣本可以在一天內(nèi)進(jìn)行研究。在科學(xué)進(jìn)展論文中，他們通過使用它來分析標(biāo)準(zhǔn)測試分子(如甘油 - 水混合物)來證明該技術(shù)，但他們現(xiàn)在計劃將其用于更復(fù)雜的分子。

感興趣的一個主要領(lǐng)域是淀粉樣β蛋白，其積聚在阿爾茨海默病患者的大腦中。研究人員還計劃研究各種膜結(jié)合蛋白，如離子通道和視紫紅質(zhì)，它們是細(xì)菌膜和人類視網(wǎng)膜中的光敏蛋白。由于靈敏度非常高，這種方法可以從更小的樣本量中獲得有用的數(shù)據(jù)，這可以更容易地研究難以大量獲得的蛋白質(zhì)。