[論文レビュー] Hyperpolarized solution-state NMR spectroscopy with optically polarized crystals

Tim R. Eichhorn, Anna J. Parker+23 more|Figshare|Aug 13, 2021

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、オプティカルに極化されたペンタセンドーピングナフタレン結晶を溶解させることにより、溶液状態NMR分光法における新しい手法を示している。室温および1.45 Tで、高い核スピン極化（最大25％）を標的分子へ効率的に分子間クロスリラクセーションによって移行可能であり、1分未満で200–1730×の信号増強を達成する。この技術により、冷却や高磁場を要しない一般化可能で室温で実行可能な感度向上手法が実現される。

ABSTRACT

Nuclear spin hyperpolarization provides a promising route to overcome the challenges imposed by the limited sensitivity of nuclear magnetic resonance. Here we demonstrate that dissolution of spin-polarized pentacene-doped naphthalene crystals enables transfer of polarization to target molecules via intermolecular cross relaxation at room temperature and moderate magnetic fields (1.45$\,$T). This makes it possible to exploit the high spin polarization of optically polarized crystals while mitigating the challenges of its transfer to external nuclei, particularly of the large distances and prohibitively weak coupling between source and target nuclei across solid-solid or solid-liquid interfaces. With this method, here we inject the highly polarized mixture into a benchtop NMR spectrometer and observe the polarization dynamics for target $^1$H nuclei. Although the spectra are radiation damped due to the high naphthalene magnetization, we describe a procedure to process the data in order to obtain more conventional NMR spectra, and extract the target nuclei polarization. With the entire process occurring on a timescale of one minute, we observe NMR signals enhanced by factors between -200 and -1730 at 1.45$\,$T for a range of small molecules.

研究の動機と目的

• 従来の溶液状態NMRの感度制限を克服するため、標的分子へ一般化可能で室温で実行可能なハイパーポラライゼーション移行手法を開発すること。
• 弱い結合や固体-液体界面を越える長距離による課題を回避し、光学的極化された固体結晶から溶液中核へ効率的な極化移行を実現すること。
• 容易に入手可能な材料および装置を用いて、ハイパーポラライズドNMRに適した実用的でベンチトップ対応のワークフローを実現すること。
• 1分未満のプロセス時間で、小分子に対して200–1730×の高い信号増強を達成すること。

提案手法

• 527 nmのパルスレーザーを用いたペンタセンドーピングナフタレン単結晶の光学ポンピングにより、三重項状態に高い電子スピン極化が生成され、1H核スピン極化が20–25％に達する。
• モーター駆動のセラミックシャフトを用いて室温で標的溶媒（例：CDCl3）に結晶を粉砕・混合することで、分子間接触を最大化する。
• 分子間核オーバーハウザー効果（NOE）が、ハイパーポラライズドナフタレンから溶液中における標的1H核への極化移行を促進する。
• N2ガス圧を用いてハイパーポラライズド混合物をベンチトップNMR分光計（1.45 T）に注入し、放射減衰を最小限に抑えるために小角度ハードパルス（1–3°）を用いて信号をモニタリングする。
• 放射減衰の補正と、極化レベルの定量的抽出を可能にするデータ処理手順を適用する。
• 熱的に極化されたキャリブレーション標準と比較することで、極化レベルをキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的極化された有機結晶は、溶液状態NMRにおける安定で室温でのハイパーポラライゼーション源として機能可能か？
• RQ2 室温条件下で、固体状態のハイパーポラライズドナフタレンから溶解した標的分子へ、効率的な分子間クロスリラクセーションによる極化移行が可能か？
• RQ3 この手法により小分子で達成可能な信号増強の程度は何か？また、プロセスはどの程度の速さで完了するか？
• RQ4 高磁化度のサンプルにおける放射減衰効果は、解釈可能なNMRス toward が得られるように効果的に補正可能か？

主な発見

• 本手法により、1.45 Tでさまざまな小分子に対して200–1730×の信号増強が達成され、増強度は標的分子および実験条件に依存する。
• 極化生成から注入まで1分未満で完了する分子間NOEを介した効率的な極化移行が実現される。
• 標的1H核における極化度は、元の結晶で最大25％に達し、溶液中への測定可能な移行が確認された。
• 高磁化度サンプルにおける放射減衰効果は、カスタムデータ処理手順により低減され、従来のNMRス toward が再構築可能となった。
• 本手法は室温および中程度の磁場（1.45 T）で動作し、冷却や高磁場磁石を必要としない。
• 本手法は一般化可能であり、プロパルギルアセテート、TCE、DCM、アセトン、THF、トルエン、およびクロロホルムを含むさまざまな小分子に適用可能で、全試験化合物で増強効果が観察された。