金剛石轉子或可為蛋白質研究帶來新的進展

MIT

幾十年來，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR) 波譜一直是研究復雜生物化合物原子結構的關鍵技術之一。最流行的技術，固態核磁共振，包括將待分析的材料放入微小的圓柱形轉子中，然后旋轉到高頻。然而，固態核磁共振的最大限制是轉子在破碎前旋轉的速度，這取決于轉子材料的強度。

現在，來自MIT比特與原子中心和MIT化學系的研究人員找到了一種用單晶制造轉子的方法。這些轉子比已經使用的轉子更小、更堅固。該研究的作者說，它們還可以以高得多的頻率旋轉，從而提高分辨率，縮短樣本采集時間。他們的研究發表在《磁共振雜志》2023年7月號上（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1090780723001106?via=ihub）。

固態核磁共振使用的技術之一是魔角旋轉，它提供了改進的分辨率和靈敏度。在這種技術中，在圓柱體中填充被分析的材料后，將其懸浮在磁場中，并在受到射頻脈沖時使用（通常是）氮氣射流進行旋轉。圓柱體相對于所施加的磁場以54.74度的“神奇”角度旋轉，在這個角度最容易獲得最清晰的原子結構測量結果。

在過去的幾十年里，魔角旋轉核磁共振的轉子一直由高性能陶瓷材料釔穩定的氧化鋯（YSZ）制成。這些轉子直徑小至0.7毫米，約為鉛筆芯大小，中間有一個孔用于試樣，其最大轉速約為111千赫，即每分鐘700萬轉。在這些速度下，YSZ轉子往往會在大約一半的時間內發生故障，特別是它們會與樣品和NMR線圈一起爆炸。該論文的作者之一Zachary Fredin說：“固態核磁共振已經存在很長一段時間了，這樣會丟失一個樣本，會破壞核磁共振線圈。”

一段時間以來，用單晶金剛石制造轉子一直被視作一個有趣的選擇，因為金剛石不僅非常堅韌，而且對太赫茲輻射的滲透性也高得多，并且具有良好的導熱性。挑戰一直是如何在金剛石晶體中鉆出高縱橫比的孔。2019年，當時在比特與原子中心的學生Prashant Patil發現了一種使用激光微機械加工鉆這種孔的方法。Fredin說，這是一個相當出乎意料的結果，它為制作用于魔角旋轉核磁共振的金剛石轉子鋪平了道路。

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與YSZ轉子一樣，金剛石轉子的直徑為0.7毫米，但它們可能旋轉得更快。Fredin說：“理論上，金剛石（轉子）的轉速應該是YSZ轉子的三到四倍，我們應該能夠舒適地旋轉到250或300 kHz。”。然而，在他們的測試中，研究人員只能旋轉高達124千赫（或850萬轉/分），因為他們受到了驅動氣體氮氣的音速的限制。

MIT化學系的研究生、另一位合著者Natalie Golota說：“軸承系統中存在相當大的摩擦，這是這里的首要考慮因素。我們不希望轉子的速度超過音速，因為（在這個速度下）會有明顯的動蕩。使用氦氣可以使自旋頻率****倍，因為氦氣的音速大約是氮氣的三倍。”

但當研究人員用氮氣和氦氣、純氦氣的組合測試轉子時，他們遇到了另一個設計限制。支撐轉子的空氣軸承中的孔是為氮氣設計的。Golota說：“我認為我們剩下的最大挑戰是，我們需要擁有與氦氣兼容的軸承系統，并改變轉子軸承的動態特性，這樣我們才能真正利用氦氣聲速的提高，”她補充道，“這將是一個“游戲規則的改變者”。一個含有100%氦氣的金剛石轉子……也可以為我們提供非常高分辨率的數據，以及大量關于樣本的強大信息。”

這個由美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）資助的項目背后的主要驅動力是更好地了解蛋白質的三維結構。Golota說：“例如，我們想了解阿爾茨海默病和其他淀粉樣蛋白驅動的疾病中蛋白質的結構。但我們也可以利用這一點來研究不同的病毒性疾病和基于膜蛋白的疾病。”

她說，還有其他潛在的應用，例如在困難的傳熱環境、其他生物光譜、微電子制造等中。“我們已經非常善于控制非常小的鉆石物體并準確地加工它們，所以我們肯定仍在研究這一點。” 這項新技術有可能改變我們未來進行固態核磁共振實驗的方式，在分辨率和靈敏度方面開啟前所未有的實驗機會。