零场核磁共振首次测量四极核

诸平

Researchers utilize nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to determine molecular structures and nuclear interactions, employing both traditional high-field methods and innovative zero-field techniques, which simplify experimental setups and expand the types of nuclei that can be analyzed. Recent advances have enabled the precise measurement of quadrupolar nuclei using zero-field NMR, promising significant improvements in applications ranging from medical diagnostics to chemical analysis. Credit: Oleg Tretiak

据德国美因茨约翰内斯古腾堡大学（Johannes Gutenberg University Mainz简称JGU）2024年7月13日提供的消息，零场核磁共振首次测量四极核（Zero-Field NMR Measures Quadrupolar Nuclei for the First Time）。

美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)和美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley, USA)的研究人员在零场核磁共振光谱方面取得了重大进展，为基准量子化学（Quantum Chemistry）计算设定了新标准。相关研究结果于2024年5月27日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站在线发表——Román Picazo-Frutos, Kirill F. Sheberstov, John W. Blanchard, Erik Van Dyke, Moritz Reh, Tobias Sjoelander, Alexander Pines, Dmitry Budker, Danila A. Barskiy. Zero-field J-spectroscopy of quadrupolar nuclei. Nature Communications, 2024, 15: 4487. DOI: 10.1038/s41467-024-48390-2. Published: 27 May 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-48390-2

参与此项研究的有来自德国美因茨亥姆霍兹研究所（Helmholtz-Institut Mainz, Mainz, Germany）、JGU物理研究所（Institute of Physics, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, Germany）、德国达姆施塔特的GSI亥姆霍兹重离子研究中心有限公司（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt, Germany）、德国海德堡大学（Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 227, Heidelberg, Germany）；美国马里兰大学（University of Maryland, College Park, MD, USA）、美国加州大学伯克利分校(University of California—Berkeley, Berkeley, CA, USA)、美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）；法国巴黎的PSL大学（PSL University, Paris, France）以及瑞士巴塞尔大学（University of Basel, Klingelbergstrasse 82, Basel, CH-4056, Switzerland）是研究人员。

一个特定分子的结构是什么?分子是如何相互作用的?研究人员经常求助于核磁共振(nuclear magnetic resonance简称NMR)光谱来回答这些问题。核磁共振利用强大的外部磁场来对齐原子核的自旋。然后，这些对齐的自旋被线圈产生的振荡弱磁场诱导旋转。

因此产生的电压变化可以转换为可测量的频率。在此基础上，研究人员可以识别分子结构，同时也可以揭示有关核自旋相互作用的某些信息。然而，这种类型的研究需要由巨大的设备产生非常强的磁场，而这些设备本身就很难安装和维护。与此同时，即使有这样精密的设备，仍然难以分析自然界中最丰富的核类型——四极核（quadrupolar nuclei）。

在零场核磁共振(Zero -field NMR)的情况下，不需要强大的外部磁场。在这里，具有磁性活性的核的自旋之间的分子内耦合是主要的量子力学相互作用。

因此，光谱线更窄、更尖锐，样品甚至可以在金属或其他材料制成的容器中检测。零场核磁共振波谱现在被用于监测金属容器中的反应或分析植物;它在医学上也有很好的应用。然而，为了能够测量自旋之间的微小相互作用，有必要提供一个屏蔽地球磁场的屏障，这本身就是一项复杂的任务。

简单但更精确的实验设置（Simple yet more precise experimental setup）

JGU和德国美因茨亥姆霍兹研究所(Helmholtz Institute Mainz简称HIM)的研究人员与美国加州大学伯克利分校的同事合作，最近成功地利用零场核磁共振测量了四极核。“我们分析了一种铵分子阳离子（NH₄⁺），这是一种在各种应用中起重要作用的阳离子，我们希望将来我们能够在复杂的环境中探测到这些分子，比如反应堆和金属容器中。”JGU团队负责人Danila Barskiy博士说。

研究人员能够设计出一种系统，只需将铵盐与水混合，并加入不同数量的氘（D or ²H）。然后记录和分析各个光谱。为了进行这项分析，科学家们使用了一种市售的比指甲还小的磁力计，并将其安装在一个带有磁屏蔽的自制紧凑型分析系统中。

用于检验现有理论的精密测量（Precision measurements to test existing theories）

研究人员还研究了另一个有趣的问题:铵分子中氘原子的数量在多大程度上影响了自旋的光谱和弛豫特性（relaxation characteristics）?

正如JGU物理研究所（Institute of Physics, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, Germany简称JGU Institute of Physics）的学生和上述论文的主要作者Román Picazo-Frutos所指出的那样：“使用我们的方法，可以以非常高的精度确定共振频率。由于该技术产生的结果可以与其他实验数据进行比较，因此可以用于量子化学计算的基准测试。我们希望我们的制度在不久的将来成为标准做法。”

尽管基于当前理论的预测与该团队获得的结果密切相关，但也存在一些小偏差。JGU的Dmitry Budker教授总结说：“该团队所做的工作大大扩展了分子的范围，可以通过零场到超低场核磁共振技术进行分析。它甚至可能有助于创新应用的发展，这些应用可用于通过放射性伽马衰变来研究原子序数小的原子核。”

本研究得到了亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）在索菲亚·科瓦列夫斯卡娅奖框架内（Alexander von Humboldt Foundation in the framework of the Sofja Kovalevskaja Award）提供的财政支持。也得到了卓越精密物理、基本相互作用和物质结构集群{Cluster of Excellence Precision Physics, Fundamental Interactions, and Structure of Matter (PRISMA + EXC 2118/1) }的支持，该集群由德国科学基金会（DFG）在德国卓越战略(项目ID 39083149)中{DFG within the German Excellence Strategy (Project ID 39083149)}资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Zero- to ultralow-field nuclear magnetic resonance (ZULF NMR) allows molecular structure elucidation via measurement of electron-mediated spin-spin J-couplings. This study examines zero-field J-spectra from molecules with quadrupolar nuclei, exemplified by solutions of various isotopologues of ammonium cations. The spectra reveal differences between various isotopologues upon extracting precise J-coupling values from pulse-acquire measurements. A primary isotope effect,

，

is deduced by analysis of the proton-nitrogen J-coupling ratios. This study points toward further experiments with symmetric cations containing quadrupolar nuclei, promising applications in biomedicine, energy storage, and benchmarking quantum chemistry calculations.