钻石晶格中的缺陷产生的不仅仅是美丽的颜色。加州大学伯克利分校化学学院的研究人员开发的一种新方法显示了使用不带昂贵磁铁的激光来增强磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)信号的巨大希望。

在科学进展杂志(链接是外部)的新发表的研究中，加州大学伯克利分校的博士后学者和国际研究团队的首席研究员Ashok Ajoy宣布开发一种有可能降低成本的新技术。价值数百万美元的医学成像和光谱设备。该研究是在Alexander Pines教授(外部链接)，Glenn T. Seaborg Chancellor教授名誉教授的实验室中进行的，并与Jeffery Reimer教授(外部链接)，Warren和Katharine Schlinger化学工程杰出教授密切合作。

Alex Pines谈到这项研究时说：“Ashok和他的团队以及合作者Carlos Meriles和Jeff Reimer所取得的成就令人惊叹。在钻石纳米晶体粉末中，他们通过光学泵浦实现了比热学高出近三个数量级的超极化用多次扫描的微波DNP新方法。“

这项新技术利用微小的金刚石微晶，通过光而不是磁铁获得MRI和核磁共振的信号增益。特别地，金刚石由晶体结构内的微观缺陷组成，具有显着特性，其具有可通过适度施加激光而光学对准的电子自旋。这种对齐 - 称为极化 - 是磁铁传统上在磁共振成像中的作用;相反，这里的角色是激光。这种光学诱导的自旋排列可以转移到周围的核，例如金刚石中的13C核，以使它们“超极化”，即提供比甚至用房间大小的超导磁体大的数量级的NMR信号。

达特茅斯大学物理和天文学系的教授Chandrasekhar Ramanathan谈到这项研究时说：“核磁共振光谱和成像的多功能性证明了它在原子尺度上探测局部物理和化学环境的卓越能力。然而，它的低灵敏度仍然是一个缺点。为了克服这一限制，在室温下使核自旋在各种材料上超极化的能力仍然是核磁共振的一个圣杯。这项工作展示了一种新的方法来实现金刚石粉末中碳-13自旋的大超极化时间。”

今天的MRI对于医学成像以及制药行业中的光谱等效核磁共振来说是“切片”。作为独特的化学指纹的光谱，独特地识别除了具有低灵敏度的类似分子之外的分子。信号保持与彼此位于相同方向的核自旋量成比例。例如，水中的氢核在临床成像中被靶向。即使信号适度增加也会带来严峻的技术挑战 - 通常需要使用大型房间大小的超导磁体，这些磁体设置昂贵且难以维护。这项研究表明，可以有解决这个问题的替代途径，不需要磁铁。

这项工作的关键是能够以粉末形式使用钻石。包含微米或纳米晶体颗粒的金刚石粉末之类的粉笔通过引入激光而超极化。偏振金刚石颗粒的尺寸越小，可以与液体接触的表面积增加，这反过来可能是超极化的。“光学超极化纳米金刚石在我们的领域一直是一个突出的问题，”Ajoy说。“随机粉末中不同微晶取向产生的技术挑战被认为极难克服。”

“解决方案证明非常简单，”Ajoy继续说道，“并且涉及使用适度的磁场，关于冰箱磁铁的强度和低功率激光激发来设置超极化。”实验突破证明超极化金刚石粉不仅是因此，该团队发现了一种“全新的”极化机制，部分原因在于他们探测了一种以前被认为无趣的超低磁场制度，因此非常容易实现，但也非常高效。

发现的一个关键是Pines集团与化学学院机械工厂的密切合作。该工厂的电工Emanuel Druga在设计几个实验工具方面发挥了至关重要的作用，这些工具有助于调试和对偏振机制进行基准测试。“Druga领导开发了一种现场循环装置，这是观察金刚石粉末首次超极化所必需的最重要步骤，”Ajoy说。

伯克利团队还参与了化学学院的本科学生。特别是两名学生，Kristina Liu和Raffi Nazaryan(2017年化学学院Saegebarth奖的获得者)在该研究中发挥了重要作用，并在发表的文章中被列为撰稿人。