金剛石轉子或可為蛋白質(zhì)研究帶來(lái)新的進(jìn)展

MIT

幾十年來(lái)，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(guān)鍵技術(shù)之一。最流行的技術(shù)，固態(tài)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(tài)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(lái)自MIT比特與原子中心和MIT化學(xué)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(jīng)使用的轉子更小、更堅固。該研究的作者說(shuō)，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(shí)間。他們的研究發(fā)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(tài)核磁共振使用的技術(shù)之一是魔角旋轉，它提供了改進(jìn)的分辨率和靈敏度。在這種技術(shù)中，在圓柱體中填充被分析的材料后，將其懸浮在磁場(chǎng)中，并在受到射頻脈沖時(shí)使用（通常是）氮氣射流進(jìn)行旋轉。圓柱體相對于所施加的磁場(chǎng)以54.74度的“神奇”角度旋轉，在這個(gè)角度最容易獲得最清晰的原子結構測量結果。

在過(guò)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(gè)孔用于試樣，其最大轉速約為111千赫，即每分鐘700萬(wàn)轉。在這些速度下，YSZ轉子往往會(huì )在大約一半的時(shí)間內發(fā)生故障，特別是它們會(huì )與樣品和NMR線(xiàn)圈一起爆炸。該論文的作者之一Zachary Fredin說(shuō)：“固態(tài)核磁共振已經(jīng)存在很長(cháng)一段時(shí)間了，這樣會(huì )丟失一個(gè)樣本，會(huì )破壞核磁共振線(xiàn)圈?！?/p>

一段時(shí)間以來(lái)，用單晶金剛石制造轉子一直被視作一個(gè)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(shí)在比特與原子中心的學(xué)生Prashant Patil發(fā)現了一種使用激光微機械加工鉆這種孔的方法。Fredin說(shuō)，這是一個(gè)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。

MIT

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(shuō)：“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(wàn)轉/分），因為他們受到了驅動(dòng)氣體氮氣的音速的限制。

MIT化學(xué)系的研究生、另一位合著(zhù)者Natalie Golota說(shuō)：“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(guò)音速，因為（在這個(gè)速度下）會(huì )有明顯的動(dòng)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?！?/p>

但當研究人員用氮氣和氦氣、純氦氣的組合測試轉子時(shí)，他們遇到了另一個(gè)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(shuō)：“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(dòng)態(tài)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(gè)“游戲規則的改變者”。一個(gè)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(guān)于樣本的強大信息?！?/p>

這個(gè)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(dòng)力是更好地了解蛋白質(zhì)的三維結構。Golota說(shuō)：“例如，我們想了解阿爾茨海默病和其他淀粉樣蛋白驅動(dòng)的疾病中蛋白質(zhì)的結構。但我們也可以利用這一點(diǎn)來(lái)研究不同的病毒性疾病和基于膜蛋白的疾病?！?/p>

她說(shuō)，還有其他潛在的應用，例如在困難的傳熱環(huán)境、其他生物光譜、微電子制造等中?！拔覀円呀?jīng)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(diǎn)?！?這項新技術(shù)有可能改變我們未來(lái)進(jìn)行固態(tài)核磁共振實(shí)驗的方式，在分辨率和靈敏度方面開(kāi)啟前所未有的實(shí)驗機會(huì )。