在低强度且不均匀的磁场中，通过使用仲氢（parahydrogen）进行超极化处理，实现了对15N反应的监测

《Chemistry – A European Journal》：15 N Reaction Monitoring at Low and Inhomogeneous Magnetic Fields Enabled by Hyperpolarization With Parahydrogen

化学转化监测在低场非均匀磁场中通过PHIP实现，66 mT场强下检测到88.4 ppm化学位移差异，验证了便携式MRI和反应监测的可行性。

　　### 低场与非均匀磁场下的氮-15化学反应监测

近年来，核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术因其在化学反应监测和生物医学研究中的广泛应用而受到高度关注。然而，传统上这些技术主要依赖于高场和高度均匀的磁场环境，这限制了其在一些特定场景下的应用。高磁场虽然提供了较高的信号灵敏度和更精确的化学信息，但同时也带来了设备成本高昂、难以在金属容器内进行反应监测、以及在存在铁磁或顺磁物质的环境中进行光谱分析时的挑战。此外，高场设备的体积较大，难以在便携式或桌面级装置中使用，这进一步限制了其在临床转化、药物筛选和生物系统研究中的应用潜力。

为了解决这些问题，科学家们开始探索在低场和非均匀磁场条件下应用NMR和MRI的可能性。低场设备通常具有更小的体积、更低的成本以及更高的便携性，这使得它们在一些需要现场操作或生物安全要求较高的环境中更加适用。例如，在细胞培养室中，使用低场设备可以避免将细胞从原容器中取出，从而保持其在天然环境中的状态，减少细胞应激。因此，如何在低场和非均匀磁场条件下实现有效的NMR信号检测，成为当前研究的一个重要方向。

为了实现这一目标，研究人员提出了一种基于氮-15的监测方法，结合了超极化技术（特别是通过顺磁氢诱导的极化，即PHIP）。PHIP是一种快速、简便且成本相对较低的超极化方法，能够显著增强NMR信号，从而提高对稀有同位素如氮-15的检测能力。在本研究中，我们展示了在66毫特斯拉（mT）的低场和81 ppm的非均匀磁场下，通过PHIP技术成功监测了氮-15标记的化学反应，具体涉及氮-15-硼苯基-2-苯乙烯吡啶??（¹⁵N-BBSP）向氮-15-2-苯乙烯吡啶（¹⁵N-SP）的转化过程。这一转化过程可以用于检测过氧化氢（H₂O₂），并且其在NMR谱中表现出显著的化学位移差异（88.4 ppm），这为高灵敏度和高选择性的检测提供了基础。

氮-15的自然丰度仅为0.36%，且其旋磁比（gyromagnetic ratio）仅为氢-1的十分之一，这使得其NMR信号的检测难度远高于氢-1。然而，通过PHIP技术，可以显著增强氮-15的信号强度，使其在低场环境中也能被有效监测。我们设计了一种自建的66 mT多核NMR扫描仪，配备了专门的射频（RF）线圈和序列参数，以实现对氮-15信号的检测。此外，我们还利用梯度磁场和磁体校准技术，确保在非均匀磁场下仍能获得足够的谱分辨率，从而区分不同化学物种的信号。

在实验过程中，我们通过引入氢氧化钠和过氧化氢，成功实现了氮-15-BBSP的侧链裂解，从而生成氮-15-SP。通过对比不同浓度的过氧化氢和碱的反应情况，我们观察到氮-15-BBSP和氮-15-SP的信号强度变化，并利用指纹匹配方法分析了这些变化。该方法基于将实验数据与预设的理论模型进行比对，从而估算出样品中不同化学物种的浓度。实验结果显示，即使在非均匀磁场下，该方法也能够实现较高的匹配度（相关系数大于0.89），这表明在低场和非均匀磁场条件下，通过PHIP技术进行化学反应监测是可行的。

此外，我们还研究了在高场（7 T）条件下氮-15-BBSP向氮-15-SP的动态转化过程，并测量了氮-15-BBSP的纵向弛豫时间（T₁）。在低场（100 mT）下，氮-15-BBSP的T₁值为194秒，这远高于在高场下的测量值。这一结果表明，低场条件下的氮-15超极化技术具有显著的弛豫优势，为长期监测和高灵敏度检测提供了可能性。我们还发现，不同溶剂（如重水D₂O和普通水H₂O）对T₁值的影响不同，这可能与溶剂环境对分子动态行为的影响有关。

本研究的成果表明，通过结合PHIP技术与低场和非均匀磁场设备，可以实现对氮-15标记化合物的高灵敏度监测，从而拓展NMR和MRI在多个领域的应用。这不仅为便携式设备和桌面级反应监测提供了新的思路，也为生物医学研究、药物筛选和临床代谢成像开辟了新的途径。未来，我们计划进一步优化设备设计，以提高信号分辨率和监测精度，并探索其在更大反应器和更复杂生物系统中的应用潜力。