新技术 | 一种用于检测体内微小温度变化的化学探针

一个化学团队设计了一种钴络合物，用作无创化学温度计。他们通过使钴络合物的核自旋（一种主要的基本磁性）模拟电子自旋的灵敏但不太稳定的灵敏度来实现这一点。

　　

可以说，核磁共振的起源领域是化学——核磁共振的工作原理是利用单个原子的固有磁性。如果核磁共振成像仪不仅能生成图像，还能提取人体化学的详细信息，比如肿瘤附近的pH值，或者损伤周围的温度异常，会怎么样?如果磁成像的物理原理可以应用于所有种类的化学变化，甚至是原子和分子的水平，并能给我们带来关于人类健康和疾病无与伦比的新见解，那会怎么样?

这些“如果”的问题推动了化学系助理教授Joseph Zadrozny和他的学生和研究人员团队的工作。作为一名游走在化学和量子物理之间的无机化学家，扎德罗兹尼在科罗拉多州立大学建立了一个实验室，其主要目标是设计分子，使磁共振成像能够完成目前无法完成的事情。通过这样做，研究人员发现了金属离子分子的磁性如何对其环境做出反应的基本见解，这是否意味着温度、pH值或其他指标的微小变化。

“我们是活生生的、会呼吸的、会说话的化学反应堆。“如果你能想象那种化学反应，那将是非常强大的。”

像电子一样工作的原子核

Zadrozny的团队在《美国化学学会杂志》上发表了一篇论文，描述了他们设计的一种基于钴的分子，该分子是一种无创化学温度计，这是他们制造具有极端温度敏感性的新型磁成像探针的一个突破。他们利用自己在分子设计方面的专业知识，使钴配合物的核自旋——一种重要的基本磁性特性——模仿了电子自旋的灵敏但不太稳定的灵敏度。“自旋”赋予亚原子粒子磁性。通过使钴核本质上像电子一样工作，他们已经表明，这种特殊的钴复合体有一天可以成为强大的分子成像探针的基础，这种探针可以读取人体内部极其细微的温度变化。如何利用这一现象，人们可以想象得天翻地转:医生可以探测到一个仍然看不见的肿瘤周围最细微的温度变化。办公室内的热消融程序可以达到分子水平的精度，杀死病变组织，同时避免健康组织。

在医生的办公室里，钴材料可能有一天会被注射或摄入，以传递来自身体的温度信号，用钴材料制造一个温度传感探针将利用原子核的可控磁性。它还具有通过射频波读取信息的理想特性，这对人类或动物的身体是安全的。研究人员设想，这种磁性探测器也可以在室温下工作。

利用自旋电子的磁性——物理学家试图制造量子计算机的一个热门研究领域——对于生物医学成像不太理想。其中一个原因是:利用电子的磁性需要微波，这对人类是危险的(想象一下需要微波才能得到核磁共振成像)。这种基于电子的探测器也不能在室温下工作——它们需要更低的温度。

核磁共振实验

为了进行他们的实验，由博士后研究员?kten üng?r领导的Zadrozny团队设计了钴分子，并使用位于CSU分析资源核心的500兆赫的核磁共振光谱仪测试了其温度灵敏度。ARC是位于化学楼的研究管理共享设施的副总裁，该设施允许校园内的研究人员通过尖端的分析仪器进行研究。

“我们通过核磁共振实验表明，其灵敏度比可比分子高出几个数量级。”

研究人员的钴分子可能会有广泛的应用。üng?r表示:“钴原子周围的化学成分是高度可调的，我们可以对其进行高度控制。”“这项工作不仅在医学领域显示出前景，而且其基本步骤和理论可能会导致量子计算领域的进步。随着研究的继续，我们可能会发现更多的应用。”

该团队下一步可能会探索钴基成像探针的增强设计，使其在水溶液中更稳定。目前，这种材料的温度敏感性令人震惊，但这种分子还不足以在体内存活很长时间，而这在医学应用中是必要的。

Journal Reference:

1. Ökten Üngör, Tyler M. Ozvat, Zhen Ni, Joseph M. Zadrozny. Record Chemical-Shift Temperature Sensitivity in a Series of Trinuclear Cobalt Complexes. Journal of the American Chemical Society, 2022; 144 (20): 9132 DOI: 10.1021/jacs.2c03115