封面展示了基于激光泵浦型原子傳感器的核磁共振（NMR）測(cè)量的基本原理。零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR可極大地提高NMR波譜分辨率，從而提供一種精細(xì)化的非侵入性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)新手段。利用激光泵浦極化原子氣室中的原子，同時(shí)利用激光對(duì)極化原子感知的待測(cè)樣品宏觀磁矩信息進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了基于高靈敏度原子傳感器的高分辨零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR。通過(guò)結(jié)合樣品核自旋的超極化增強(qiáng)技術(shù)，可進(jìn)一步提高零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR的波譜測(cè)量靈敏度，極大地?cái)U(kuò)展了NMR的應(yīng)用范圍。

一、背景介紹

核磁共振（NMR）是在處于磁場(chǎng)中的非零自旋原子核受到外加射頻磁場(chǎng)微擾的情況下，當(dāng)射頻頻率等于強(qiáng)磁場(chǎng)引起的能級(jí)塞曼分裂時(shí)，吸收該特定頻率電磁波而發(fā)生能級(jí)躍遷的物理現(xiàn)象。根據(jù)外加磁場(chǎng)幅值，可以將NMR分為高場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度B>1 T）、低場(chǎng)（μT＜B＜1 T）和零場(chǎng)-超低場(chǎng)（B＜1 μT）。<b<1t）和零場(chǎng)-超低場(chǎng)（b<1<1t）和零場(chǎng)-超低場(chǎng)（b< p="" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;"> 作為一種非侵入性的檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)前用于醫(yī)學(xué)臨床診療的高場(chǎng)核磁共振成像（MRI）與用于化學(xué)分析的高場(chǎng)NMR波譜技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)高場(chǎng)NMR難以實(shí)現(xiàn)高的磁場(chǎng)均勻性，導(dǎo)致譜線展寬，無(wú)法獲取高分辨的波譜信息。

近年來(lái)，零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR獲得了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的高場(chǎng)NMR相比，零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜儀易于實(shí)現(xiàn)高的磁場(chǎng)均勻性，可以極大地提高NMR波譜分辨率（目前已可達(dá)到mHz量級(jí)），從而提供了一種精細(xì)化的物質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)新手段。此外，零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬容器和多孔介質(zhì)中物質(zhì)的探測(cè)，這在傳統(tǒng)高場(chǎng)NMR中是難以實(shí)現(xiàn)的，因此為一些特定領(lǐng)域（例如鋰電池檢測(cè)、石油勘探等）提供了新的研究工具。

隨著量子傳感技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）、激光泵浦型原子傳感器（LPAS）、金剛石中的氮-空位（NV）色心傳感器逐漸取代傳統(tǒng)法拉第感應(yīng)線圈，成為零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR的探測(cè)方式，有效解決了低頻（＜kHz）區(qū)域電磁感應(yīng)線圈對(duì)信號(hào)檢測(cè)靈敏度低的問(wèn)題。出于對(duì)波譜儀高分辨率和高靈敏度、低制造成本、易于小型化的追求，零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR研究當(dāng)前受到了越來(lái)越多的關(guān)注，本文闡述了基于LPAS的零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR的相關(guān)技術(shù)以及研究進(jìn)展。

二、零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR原理及關(guān)鍵技術(shù)

典型的NMR檢測(cè)過(guò)程包括樣品極化、編碼和測(cè)量過(guò)程。傳統(tǒng)高場(chǎng)NMR通過(guò)高場(chǎng)下的熱極化（TP）過(guò)程獲得樣品的核自旋極化，核自旋極化度與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與溫度成反比；然后，以核自旋共振頻率的形式進(jìn)行編碼，其本質(zhì)上是原子核周?chē)娮拥娜醮牌帘螌?dǎo)致原子核的實(shí)際共振頻率與孤立環(huán)境中的共振頻率產(chǎn)生差異。通常情況下，檢測(cè)與編碼是同時(shí)進(jìn)行的，由法拉第感應(yīng)線圈完成。

對(duì)于零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR，在測(cè)量區(qū)原位熱極化產(chǎn)生的磁化矢量強(qiáng)度比高場(chǎng)下產(chǎn)生的要低5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。強(qiáng)磁場(chǎng)TP、動(dòng)態(tài)核極化（DNP）、激光極化（LP）和仲氫誘導(dǎo)極化（PHIP）等極化增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了零場(chǎng)-超低場(chǎng) NMR 樣品的宏觀磁化矢量，拓寬了零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR的應(yīng)用范圍。圖1為基于LPAS的NMR測(cè)量原理圖。

圖1 基于LPAS的NMR測(cè)量原理圖（ST：進(jìn)樣裝置；MS：磁屏蔽；LPAS：激光泵浦型原子傳感器）

1、樣品核自旋極化增強(qiáng)

NMR中極化的主要目的是建立大的宏觀磁化矢量，以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR中常見(jiàn)的極化增強(qiáng)方法有強(qiáng)磁場(chǎng)TP、LP、DNP（包括溶解動(dòng)態(tài)核極化（dDNP）等）、PHIP等。強(qiáng)磁場(chǎng)TP方法較為簡(jiǎn)單，但該方法產(chǎn)生的極化度不高，而且樣品進(jìn)樣過(guò)程會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致樣品退極化。引入LP、DNP（dDNP）、PHIP等超極化方法，可以使待測(cè)樣品獲得更高的核自旋極化度。與強(qiáng)磁場(chǎng)TP方法相比，超極化增強(qiáng)方法可將待測(cè)樣品核自旋極化度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而顯著提高樣品信號(hào)探測(cè)強(qiáng)度的檢測(cè)限。

2、樣品傳輸與編碼

在零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR測(cè)量時(shí)，LPAS需要工作在低于10 nT的均勻磁場(chǎng)環(huán)境中。為了滿足這一條件，通常需要將LPAS固定在磁屏蔽裝置內(nèi)部的中心位置。這就涉及到樣品的傳送，需要將極化后的樣品運(yùn)輸?shù)絃PAS的探頭位置實(shí)現(xiàn)測(cè)量。目前常見(jiàn)的進(jìn)樣裝置主要有氣動(dòng)進(jìn)樣裝置和流動(dòng)進(jìn)樣裝置等。氣動(dòng)進(jìn)樣裝置可使極化增強(qiáng)的待測(cè)樣品以絕熱方式傳輸?shù)絃PAS測(cè)量區(qū)，或者使待測(cè)樣品多次在極化增強(qiáng)區(qū)與LPAS測(cè)量區(qū)之間傳輸，從而測(cè)量得到多次平均的NMR信號(hào)；流動(dòng)進(jìn)樣裝置通常用于液體或者氣體樣品，它可使極化增強(qiáng)的待測(cè)樣品流動(dòng)進(jìn)入LPAS的測(cè)量區(qū)。

通過(guò)脈沖線圈發(fā)射脈沖序列實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的編碼。在零場(chǎng)-超低場(chǎng)MRI中，樣品編碼是通過(guò)控制磁場(chǎng)梯度完成的。在零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜中，編碼是通過(guò)分子內(nèi)部自旋-自旋相互作用（例如J-耦合）完成的。

3、LPAS探測(cè)

LPAS是實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR、MRI的關(guān)鍵，其具有制造成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單和易于小型化的優(yōu)勢(shì)。LPAS主要是通過(guò)非線性磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，典型的LPAS主要分為無(wú)自旋交換弛豫（SERF）型和非線性磁光旋轉(zhuǎn)（NMOR）型。作為零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR譜儀的核心部件，LPAS具有進(jìn)一步微小型化的潛力。

三、最新研究進(jìn)展

（1）極化增強(qiáng)方法的應(yīng)用

超極化技術(shù)的引入可將待測(cè)樣品的核自旋極化度相比熱極化方式提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而顯著提高樣品NMR檢測(cè)的靈敏度。2020年，德國(guó)美因茨亥姆霍茲研究所使用商用LPAS結(jié)合不同的超極化方法對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行了NMR波譜測(cè)量：結(jié)合PHIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬來(lái)酸二甲酯的檢測(cè)，結(jié)合可逆交換信號(hào)放大（SABRE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)吡啶樣品的檢測(cè)，結(jié)合高場(chǎng)TP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲酸和乙腈的檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 商用LPAS測(cè)量的經(jīng)SABRE極化的天然同位素豐度15N-吡啶的零場(chǎng)NMR波譜，內(nèi)插圖為SABRE的反應(yīng)過(guò)程示意圖（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 314: 106723）

（2）編碼控制與理論分析

零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜中蘊(yùn)含著豐富的信息，但對(duì)其進(jìn)行一維波譜分析較為復(fù)雜，無(wú)法方便地獲取這些信息。零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR二維波譜技術(shù)可以通過(guò)編碼控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，所得的二維波譜可以簡(jiǎn)化一維波譜信號(hào)，使得波譜結(jié)構(gòu)更為清晰，在很大程度上降低了波譜分析的難度。2020年，加州大學(xué)伯克利分校研究人員通過(guò)測(cè)量獲得了碳-13標(biāo)記乙醇的零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR二維波譜，并發(fā)現(xiàn)零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR二維波譜在一維波譜分辨率的基礎(chǔ)上有所提升，如圖3所示。

圖3 1-13C乙醇ZF-TOCSY中高頻多重峰的詳細(xì)結(jié)構(gòu)（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 318: 106781）

（3）LPAS研究進(jìn)展

近年來(lái)，研究人員嘗試通過(guò)不同的方法來(lái)提升LPAS的靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。2010年，普林斯頓大學(xué)Dang等實(shí)現(xiàn)了鉀原子SERF型LPAS，其靈敏度達(dá)到了0.16 fT/Hz1/2，這是現(xiàn)有靈敏度最高的LPAS。2018年，Quspin公司開(kāi)發(fā)了第一代商用小型銣原子LPAS，探頭尺寸13×19×110 mm3，其靈敏度可以達(dá)到10 fT/Hz1/2。

表1 LPAS研究進(jìn)展

（4）零場(chǎng)?超低場(chǎng) MRI

自零場(chǎng)-超低場(chǎng)MRI方法和技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外使用LPAS對(duì)零場(chǎng)-超低場(chǎng)MRI進(jìn)行了研究。早期研究主要利用零場(chǎng)-超低場(chǎng)MRI對(duì)水流進(jìn)行成像。近年來(lái)，人們通過(guò)磁通變換（FT）技術(shù)，將樣品與LPAS空間分隔開(kāi)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程MRI探測(cè)，已實(shí)現(xiàn)對(duì)人體手部、大腦以及水模的成像。

四、總結(jié)與展望

零場(chǎng)-超低場(chǎng)由于高分辨率的優(yōu)勢(shì)為發(fā)展高精度的NMR、MRI測(cè)量提供了新思路。進(jìn)一步的研究重點(diǎn)是提升檢測(cè)限，以便能應(yīng)用于低含量分子、生物大分子和同位素天然豐度樣品的測(cè)量。將LPAS與傳統(tǒng)使用法拉第感應(yīng)線圈的方法相結(jié)合，可以在覆蓋高場(chǎng)、低場(chǎng)和零場(chǎng)-超低場(chǎng)的整個(gè)工作磁場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)NMR、MRI測(cè)量與研究。

通過(guò)引入LPAS探測(cè)方式，已實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR和MRI的原理驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究重點(diǎn)將聚焦在零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜分析、提高零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜儀測(cè)量分辨率、零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜儀小型化等方面。零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜分析需要結(jié)合被測(cè)樣品的物理化學(xué)信息，通過(guò)控制編碼脈沖等方式進(jìn)行詳細(xì)分析。提高譜儀測(cè)量分辨率可以通過(guò)超極化方式與提高LPAS靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)。零場(chǎng)-超低場(chǎng)NMR波譜儀小型化的核心就是LPAS的微小型化，現(xiàn)有的LPAS尺寸可達(dá)厘米級(jí)別，隨著新材料的開(kāi)發(fā)與加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，LPAS具有進(jìn)一步微小型化的潛力。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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