报告小结 | 生物和材料界面的多尺度核磁共振测量方法——总结版1

2023年12月9日，清华大学分析中心磁共振实验室特邀上海交通大学孔学谦教授进行学术报告，该报告题为《生物和材料界面的多尺度核磁共振测量方法》。    

现将本次报告的小结展示给大家，总结版1来自陈阳工程师。

————听众版1，陈阳—————

2023年12月9日，清华大学分析中心磁共振实验室特邀上海交通大学孔学谦教授进行学术报告，该报告题为《生物和材料界面的多尺度核磁共振测量方法》。    

本次报告主要围绕着利用磁共振技术研究界面问题开展。界面问题在功能纳米材料和生物活性相关领域都具有重要的研究意义，包括催化、能量储存和转化、医学等应用领域。孔学谦教授用Wolfgang Pauli的一句话来说明界面问题的重要性：“God made the bulk；surfaces were invented by the devil.（上帝创造了体相材料，但魔鬼创造了界面。）”

孔学谦教授总结了界面化学的基础科学问题：

• 亚纳米尺度：关注化学组成和分子构型，体现了局域化学性质；

• 纳米-微米：关注多级组装结构（分子和分子间的作用力），影响材料的区域功能划分；

• 纳秒-秒：上升到动态过程，关注动态作用和变化，即功能实现过程。

针对于上述界面问题，目前的测量技术方法均有优势和劣势。其中，核磁共振技术的优势在于能够提供多维度信息。

• 能量维度：核磁共振波谱

• 空间维度：核磁成像

• 时间维度：自旋动力学

除此之外，核磁共振技术具有非破坏性和全景检测的独特优势。   

图1. 固体核磁中物理现象的说明与其表征的潜在机制（Adv. Mater. 2017, 29, 1605895）

图2. 固体核磁技术在界面化学领域的研究目标（Adv. Mater. 2017, 29, 1605895）

利用核磁共振技术研究界面问题，孔学谦教授指出了当前存在的难题和挑战，整理如下：

针对信息挖掘和解读难题：

（1）界面化学特征不明：信号重叠，结构无序；

（2）组装结构不明：缺少微纳尺度图像；   

（3）动力学过程复杂：跨界面动态机制不明。

针对测量技术和方法挑战：

（1）信号灵敏度低：忽视微量界面物种；

（2）信息内涵单一：缺少多物种特征；

（3）时间感知受限：难以捕捉瞬时变化。

围绕着上述的多种问题，孔学谦教授提出了解决方案，即综合运用多核和多维波谱方法，进而获得多维度的完备的信息。

研究示例1：利用固体核磁技术揭示电池界面的化学演化。

形成理想的固体电解质界面 （SEI） 保护层是稳定金属钠、提高电池性能和循环寿命的有效方法。有效的SEI可以防止电解质的过度降解，Z大限度地减少体积变化，但仍允许钠离子快速转运。可以应用各种策略来调整 SEI 的化学、形态和厚度，但SEI的化学成分非常复杂且难以表征，并且其结构和组成随着电池充电/放电的循环而不断变化。固态原位核磁共振可以提取 SEI 的整体化学信息并揭示电池运行中的电化学过程。

图3. （A）原位核磁共振装置示意图。使用（B）1.0 M NaDFOB/EC:DMC和（C）1.0 NaPF₆/EC:DMC电解质在Na/Na圆柱形电池上的原位NMR测量。（Sci. Adv. 8, eabm4606 (2022)）    

图4. SEI的固体核磁分析。在第15次、第50次、第100次和第200次循环后从Na金属表面收获的SEI物种的（A）²³Na和（B）¹¹B固体核磁图。（Sci. Adv. 8, eabm4606 (2022)）

研究示例2：探究多孔材料中缺陷的空间分布

金属有机框架材料 （MOFs） 作为一类新兴的多孔材料，具有可调功能和多种三维拓扑结构。MOFs中缺陷和无序的优点长期以来一直被低估，这主要是因为它们是普通表征技术无法获得的。需要不同的技术和策略来揭示这些混合固体中柔性、无序和缺陷之间的复杂相互作用。

在这项工作中，人为合成了有缺陷（缺陷处含F原子）的Mg₂(dobpdc)，目标利用核磁技术确认该缺陷在空间中是如何分布的。利用¹⁹F CODEX序列，测量质子协助的¹⁹F自旋扩散，通过¹⁹F自旋扩散的强弱反映¹⁹F-¹⁹F耦合，进而建立缺陷-缺陷空间关联，可以揭示缺陷1D分布特征。利用¹³C｛¹⁹F｝REDOR序列，测量¹³C-¹⁹F耦合，进而建立缺陷-配体空间关联。根据上述信息，建立缺陷分布模型，并归类拓扑特征。

总的来说，即通过引入可调的缺陷比率成功地设计了一个MOFs矩阵。这种有缺陷的基质包括刚性结晶室和柔性非结晶室。该研究不仅揭示了缺陷的不寻常的一维排列，而且还提供了对半晶框架中短程和长程转变的理解。揭示接头缺陷分布的组合固体核磁策略对于研究具有或不具有长程有序的复杂杂化结构是必不可少的。    

图6. 分子间距离的测量表征（Sci. Adv. 9, eade6975 (2023)）

图7. 确认缺陷的拓扑分布（Sci. Adv. 9, eade6975 (2023)）

孔学谦教授讲道，目前核磁成像分辨率低，主要有两点：（1）临床核磁成像设备可调性差（场强：1~3 T，梯度：＜0.3 T/m，线圈灵敏度：低；分辨率：毫米级）；（2）人体线圈图像分辨率低（缺失微米级图像信息，不适用组织界面研究）。由于核磁成像分辨率低，因此无法高效研究生物界面，因此要朝微米尺度进军。

基于此，应发展强场显微成像。强场核磁显微成像的磁场为10~20 T，梯度＞1 T/m，线圈灵敏度高，适用于组织、动物。再加以特殊成像序列的配合，可以捕捉快速弛豫信号，以便提高核磁成像分辨率。在此条件下，核磁成像分辨率可达~10微米，提升了10~100倍。

研究示例3：分辨微米尺度皮质骨微血管

皮质骨是生物组织中骨骼机械强度的主要贡献者，具有分层结构，由无机磷酸钙和有机胶原胶粘结的基质以及由水管和细胞室组成的相互连接的网络组成。虽然基质可以被认为是实心壁，但水管是支撑腔室中活骨细胞的生命线通道，支持了骨骼的关键生理功能和生物活动。除了核磁共振技术外，很少有技术能提供有关皮质骨内水分的直接信息。

然而，想要利用磁共振成像（MRI）技术研究皮质骨存在这一些难题。（1）皮质骨中含水量低，且横向弛豫时间短，导致信噪比差；（2）骨骼中水的弛豫行为是复杂的，可能受到局部环境或流体状态的影响。因此，骨骼中的水信号难以获取和解释。

在这项工作中，超越了常见的 1-3 T的磁场，在 14 T 的超高磁场下分析了皮质骨。选用老鼠、猪、羊和牛的样本，进行横向弛豫时间检测，进行拉普拉斯逆变换（ILT）后，区分出两种组分。为了更详细的区分这两组组分，利用核磁波谱与弛豫综合分析，加之不同处理样品的比对分析，将这些成分鉴定为为胶原蛋白结合水，孔隙水和脂质。再进一步使用超短回波时间（UTE）脉冲序列对皮质骨进行MRI。在 14 T 下提高的信噪比和清晰的松弛特性使皮质骨组织学和解剖学实现了前所未有的微米级分辨率。

图9. 不同样品处理下的皮质骨的核磁分析图（Adv. Sci. 2023, 10, 2300959）

图10. 绵羊皮质骨的超高分辨率MRI（Adv. Sci. 2023, 10, 2300959）

跨界面离子和分子传输是界面科学的关键问题。但因界面动力学机制复杂，构象与分布呈动态变化，导致界面动力学难以观测。孔学谦教授讲解了他对该科学问题的研究方法，即挖掘物理机制，阐明弛豫和扩散机制，再利用核磁共振技术，设计脉冲序列，发展时序脉冲序列，建立自旋与分子动力学的关联。    

研究示例4：钠离子的结合和跨膜传输

钠离子在人体的新陈代谢过程中起到至关重要的作用，包括维持细胞渗透压、传导神经电信号等功能。²³Na的研究难点在于（1）I=3/2的四极矩核，弛豫特性复杂；（2）生物体环境并非稀溶液环境，分子无法快速运动，因此无法平均掉各向异性，导致谱线展宽。但这也带来了新的机会，在分子快速运动时，消除了分子的各向异性，谱线很窄，仅能通过化学位移区分，待研究体系下的²³Na的化学位移均接近于0 ppm，较难区分，因此相对展宽、复杂的谱线也提供了新的机会。从理论上，生物环境的²³Na弛豫呈现出多组分弛豫，进而可以通过核磁共振弛豫来区分细胞内外相对占比，可以分析细胞缺氧坏死过程的钠离子变化。

图11. 细胞内外钠离子运动示意图（J. Am. Chem. Soc. 2023，145，19，10522-10532）

以上就是孔学谦教授的精彩的学术报告的小结内容。感谢孔学谦教授的精彩报告！期待有更精彩的工作发表！