王忻昌，江文龍，黃程達(dá)，孫惠軍，曹曉宇，田中群，陳 忠*

1. 廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005 2. 廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005

引 言

核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技術(shù)是一種原位實(shí)時(shí)、高分辨的非侵入式表征手段，能提供原子化學(xué)環(huán)境、偶合、化學(xué)鍵連接、原子空間距離和分子尺寸等重要結(jié)構(gòu)信息[1]，已在化學(xué)生物分子表征、醫(yī)學(xué)成像方面得到廣泛應(yīng)用。雖然NMR技術(shù)已發(fā)展幾十年，但因其檢測(cè)靈敏度低，要求樣品濃度較高、采集時(shí)間偏長(zhǎng)，限制了其更廣泛的應(yīng)用。NMR技術(shù)靈敏度低的最根本原因是核自旋態(tài)能級(jí)差小，導(dǎo)致高低自旋態(tài)能級(jí)間粒子數(shù)差僅為10-5數(shù)量級(jí)。即使提高超導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)度(>10 T)和將射頻線圈冷卻到超低溫(4 K)，對(duì)NMR靈敏度的提升仍很有限，因此大幅提高NMR靈敏度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的工作。

為了提高原子核自旋態(tài)高低能級(jí)的布居數(shù)差，可將外源性粒子的超極化狀態(tài)傳遞到目標(biāo)分子的原子核[2]，使后者達(dá)到超極化狀態(tài)。目前主流的超極化方法有動(dòng)態(tài)核極化(dynamic nuclear polarization，DNP)、自旋交換光泵(spin-exchange optical pumping, SEOP)等。雖然這些方法可有效提高NMR的靈敏度，但成本高(昂貴的設(shè)備費(fèi)和維護(hù)費(fèi))且操作步驟繁瑣，對(duì)專業(yè)技術(shù)要求很高。為此發(fā)展低成本、易操作、普適性強(qiáng)的超極化NMR靈敏度增強(qiáng)技術(shù)具有重大意義[3]。

最近仲氫(p-H2)誘導(dǎo)增強(qiáng)超極化技術(shù)成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[4]，其具有設(shè)備成本低、原料易得、操作簡(jiǎn)便、極化效率高等優(yōu)點(diǎn)，可望在應(yīng)用領(lǐng)域大范圍推廣。p-H2誘導(dǎo)超極化增強(qiáng)技術(shù)的原理是將富集后的p-H2(純度可大于99%)通過(guò)催化加氫反應(yīng)加成到底物分子，或通過(guò)可逆交換反應(yīng)將p-H2的超極化狀態(tài)傳遞到底物分子的雜核原子(13C，15N，19F，31P等)[5]。理論上此技術(shù)可將NMR的靈敏度提高5個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)際操作中靈敏度提高比例受H2加成效率、自旋極化傳遞效率、可逆交換效率、周圍是否存在順磁物質(zhì)等因素影響[6]。

1 仲氫誘導(dǎo)極化增強(qiáng)技術(shù)原理

1.1 仲氫的富集

氫原子核自旋量子數(shù)I=1/2，存在+1/2和-1/2自旋態(tài)，對(duì)應(yīng)波函數(shù)為α和β[圖1(a)]。H2存在四個(gè)自旋態(tài)，即αα，αβ+βα，ββ和αβ-βα，如圖1(b)所示。

圖1 (a)氫原子的兩種自旋態(tài)，(b)氫氣分子的四種自旋態(tài)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)，(c)氫氣分子中正氫的比例與溫度的關(guān)系

其中波函數(shù)αα，αβ+βα和ββ的三個(gè)自旋態(tài)為兩個(gè)氫原子的核自旋方向相同，稱為正氫(o-H2)；波函數(shù)αβ-βα的自旋態(tài)為兩個(gè)氫原子的自旋方向相反，稱為p-H2。o-H2和p-H2不僅自旋態(tài)能量不同，轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)能量也不同，自旋態(tài)能級(jí)與其轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)緊密關(guān)聯(lián)，這與量子力學(xué)中的波函數(shù)對(duì)稱性有關(guān)。

H2四種自旋態(tài)的布居數(shù)由轉(zhuǎn)動(dòng)基態(tài)與轉(zhuǎn)動(dòng)第一激發(fā)態(tài)的能級(jí)差決定，室溫下此能級(jí)差對(duì)o-H2和p-H2的玻爾茲曼分布影響很小，因此四種自旋態(tài)的分布比例大致相同，即o-H2和p-H2的比例約為75%和25%。由于p-H2處于轉(zhuǎn)動(dòng)基態(tài)，因此可通過(guò)降溫提高p-H2的比例。在77 K時(shí)p-H2的比例約為50%，在20 K時(shí)p-H2達(dá)到99%以上。雖然p-H2熱力學(xué)更穩(wěn)定，但由于o-H2和p-H2間轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)和自旋態(tài)的對(duì)稱性不吻合，因此存在對(duì)稱性禁阻，o-H2向p-H2轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常緩慢。需要加入催化劑加速此轉(zhuǎn)化過(guò)程，通常為鐵的氧化物[如FeO(OH)]。富集后的p-H2回到室溫后，由于p-H2向o-H2轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常慢，因此在合適的容器中可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，例如在鋁制容器中可保存數(shù)周[7]。

富集后的高純度p-H2可通過(guò)兩種方法將超極化自旋態(tài)傳遞至目標(biāo)底物分子，第一種方法是通過(guò)催化加氫反應(yīng)，即將p-H2直接加成到底物分子的不飽和基團(tuán)，稱為PHIP(parahydrogen-induced polarization)，第二種方法是p-H2與配合物分子在配位化合物上進(jìn)行可逆交換反應(yīng)，將超極化狀態(tài)通過(guò)自旋-自旋偶合傳遞至底物分子，稱為SABRE(signal amplification by reversible exchange)。1.2節(jié)簡(jiǎn)要介紹這兩種極化增強(qiáng)方法。

1.2 經(jīng)由仲氫加成反應(yīng)產(chǎn)生增強(qiáng)極化

p-H2無(wú)核磁信號(hào)(I=0)，在PHIP實(shí)驗(yàn)中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將p-H2加成到底物分子上，兩個(gè)超極化氫原子在不同化學(xué)環(huán)境中呈現(xiàn)增強(qiáng)NMR信號(hào)，或?qū)⒊瑯O化狀態(tài)傳遞到臨近的雜核原子。此過(guò)程的關(guān)鍵步驟是將p-H2加成到底物分子，氫氣加成反應(yīng)是一類常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)，通常需要加入金屬催化劑，加成機(jī)理為H2和不飽和化合物分別配位到金屬中心后，H2加成到不飽和鍵，隨后產(chǎn)物從金屬中心脫掉，金屬催化劑重新進(jìn)入催化循環(huán)(圖2)。目前已有不少催化劑可用于加成反應(yīng)，如Wilkinson催化劑，即三(三苯基膦)氯化銠催化劑[RhCl(PPh3)3]，其加成機(jī)理如圖2所示。加氫反應(yīng)的效率對(duì)NMR靈敏度的提高至關(guān)重要，宋艷紅等研究了加氫反應(yīng)條件對(duì)最終核磁靈敏度提高的影響[6]，指出增加氫氣與反應(yīng)體系的接觸面積、升高溫度和增加氫氣壓力等可提高加氫反應(yīng)速率的方法，可幫助NMR靈敏度的提升。

值得注意的是，p-H2加成到底物分子后，對(duì)稱性一定會(huì)被打破，即兩個(gè)氫原子要處于不同化學(xué)環(huán)境，否則加成后兩個(gè)氫原子在核磁譜中不會(huì)產(chǎn)生NMR信號(hào)，具體解釋可參考文獻(xiàn)[8]。H2加成到底物后，若形成AX自旋體系，兩個(gè)氫原子存在四種自旋態(tài)，即αα，αβ，βα和ββ。由于四種自旋態(tài)能級(jí)相差較小，因此氫原子平均分布在四個(gè)自旋態(tài)，存在四種自旋能級(jí)躍遷，在常規(guī)氫譜中呈現(xiàn)四條NMR峰[圖3(b)]。

圖2 Wilkinson催化劑的催化加氫反應(yīng)機(jī)理

圖3 (a) p-H2富集裝置、p-H2加成反應(yīng)的兩種不同反應(yīng)路徑；AX自旋體系的能級(jí)分布及氫譜(模擬)：(b)常規(guī)氫譜；(c)PASADENA實(shí)驗(yàn)；(d)ALTADENA實(shí)驗(yàn)

Fig.3(a)Enrichmentofp-H2andtwoapproachesforhydrogenationofp-H2;Energystatesandsimulated1H-NMRspectraofAXspinsystems: (b)normalexperiment, (c)PASADENAand(d)ALTADENA

根據(jù)p-H2加成反應(yīng)發(fā)生時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，有PASANENA (parahydrogen and synthesis allow dramatically enhanced nuclear alignment)和ALTADENA (adiabatic longitudinal transport after dissociation engenders net alignment)兩種實(shí)驗(yàn)條件：PASANENA在高強(qiáng)度磁場(chǎng)(>1 T)中進(jìn)行p-H2加成反應(yīng)，而ALTADENA在低強(qiáng)度磁場(chǎng)(地磁場(chǎng)50 T或更低)中進(jìn)行，兩種策略的反應(yīng)過(guò)程示意圖如圖3(a)所示。

不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下底物的氫原子間自旋-自旋偶合強(qiáng)度不同，導(dǎo)致兩種實(shí)驗(yàn)條件下加成產(chǎn)物上兩個(gè)氫原子的能級(jí)不同。在PASADENA條件即強(qiáng)磁場(chǎng)中，氫原子的化學(xué)位移差大于其偶合常數(shù)，同時(shí)p-H2兩個(gè)氫原子核的自旋方向不同，因此底物分子中兩個(gè)超極化氫原子可取αβ和βα兩種自旋態(tài)。在ALTADENA條件即弱磁場(chǎng)中，兩個(gè)氫的偶合常數(shù)大于化學(xué)位移差，自旋-自旋偶合較強(qiáng)，氫原子間自旋相關(guān)，因此僅取βα一種自旋態(tài)。這導(dǎo)致兩種實(shí)驗(yàn)條件下的加成產(chǎn)物呈現(xiàn)不同的增強(qiáng)氫譜：PASADENA條件，αβ和βα自旋態(tài)可分別向αα和ββ態(tài)躍遷，產(chǎn)生兩條倒峰和兩條正峰[圖3(c)]；ALTADENA條件下，βα向αα和ββ態(tài)躍遷，產(chǎn)生一條倒峰和一條正峰[圖3(d)]。

2.3 通過(guò)可逆交換反應(yīng)轉(zhuǎn)移極化

p-H2加成反應(yīng)對(duì)底物有一定的要求，即結(jié)構(gòu)中存在如烯烴或炔烴等不飽和基團(tuán)，如無(wú)不飽和基團(tuán)則需對(duì)底物進(jìn)行化學(xué)修飾，限制了此方法的底物范圍。另一類可行的方法是p-H2與底物在金屬催化劑上通過(guò)可逆交換實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)轉(zhuǎn)移，即可逆變換誘導(dǎo)信號(hào)增強(qiáng)(SABRE)[9-11]。SABRE過(guò)程中p-H2和底物同時(shí)配位到極化轉(zhuǎn)移催化劑，p-H2極化狀態(tài)通過(guò)自旋-自旋偶合傳至底物分子中核自旋量子數(shù)I=1/2的雜核原子[12]。隨后超極化底物分子從催化劑上脫離(圖4)，可直接用于NMR譜學(xué)和成像[13]。當(dāng)然此類反應(yīng)需要底物上存在能夠配位到金屬上的雜原子，底物適用范圍也存在一定的局限性。

圖4 通過(guò)SABRE將p-H2的超極化狀態(tài)傳遞到底物分子的雜核原子

Fig.4UsingSABREtotransferthehyperpolarizedspin-orderofp-H2toheteronucleusofsubstrates

2.4 極化轉(zhuǎn)移方法

2.3節(jié)兩種方法都可將超極化狀態(tài)通過(guò)自旋-自旋偶合傳遞到異核原子，傳遞極化效率由(JAX-JA′X)/(2JAA′)決定，其中ALTADENA和SABRE反應(yīng)在低磁場(chǎng)下進(jìn)行。由于Jax-Ja′x小，傳遞效率低，因此可采用脈沖序列法和磁場(chǎng)循環(huán)法提高極化轉(zhuǎn)移效率。

脈沖序列法通過(guò)持續(xù)提供氫原子核拉莫進(jìn)動(dòng)頻率的脈沖照射，減緩單重態(tài)的弛豫，使底物分子的單重態(tài)不會(huì)存在較大損失[14-15]，理論傳遞效率可接近100%，脈沖序列結(jié)束后氫原子的超極化狀態(tài)轉(zhuǎn)到雜核原子[16-17]。此外，PASADENA[15, 18]或SABRE[19]實(shí)驗(yàn)也可通過(guò)脈沖序列將超極化狀態(tài)轉(zhuǎn)移到雜核原子上。雖然PASADENA實(shí)驗(yàn)的理論傳遞效率僅為50%，但此方法的優(yōu)點(diǎn)是所有步驟整合在同一系統(tǒng)內(nèi)，操作簡(jiǎn)便[20-23]。

第二種方法是磁場(chǎng)循環(huán)，即加氫反應(yīng)在地磁場(chǎng)中進(jìn)行，結(jié)束后迅速將超極化狀態(tài)的底物分子轉(zhuǎn)移到磁屏蔽容器。底物分子感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速降低，原子核的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大幅降低，而核間J偶合依然存在。由于異核振動(dòng)頻率與其偶合常數(shù)J相近，經(jīng)此絕熱過(guò)程，原子核的自旋能級(jí)發(fā)生各向同性混合并重排，超極化自旋態(tài)轉(zhuǎn)移到雜核原子[24]。隨后樣品緩慢回到地磁場(chǎng)，此過(guò)程為非絕熱過(guò)程，異核原子保持超極化狀態(tài)[25]。磁場(chǎng)循環(huán)法極化傳遞效率高，但需額外儀器設(shè)備和操作步驟[26]，可用于遠(yuǎn)程偶合極化傳遞(J偶合常數(shù)≤1～2 Hz)[27]。

2.5 仲氫加成反應(yīng)和可逆交換反應(yīng)的催化劑

對(duì)PASADENA和ALTADENA，仲氫加成反應(yīng)效率對(duì)最終增強(qiáng)效果至關(guān)重要，其中加氫催化劑的選擇至關(guān)重要，分為均相和異相加氫催化劑，下面簡(jiǎn)單介紹此技術(shù)中常用的加氫催化劑。

均相加氫催化劑通常采用銠金屬配合物，例如Rh(PPh3)3Cl和Rh(COD)(dppb)BF4等。若采用多齒螯合磷配體，例如雙膦配體1,4-雙(二苯膦)丁烷(1,4-bis(diphenylphosphino)butane, dppb)，能有效降低催化中間體的壽命[28]，提高H2加成反應(yīng)速率，因此Rh+(COD)(dppb)是目前最常用于p-H2加成反應(yīng)的均相催化劑[圖5(a)]。此外，將磷配體中的苯環(huán)換成丙磺酸基，使催化劑可溶于水，則底物范圍拓展至水溶性底物分子，除銠外還可采用基于鈷的均相催化劑[29-30]。均相催化劑的生物毒性未知，若用于生物成像需除掉催化劑。采用分相法則無(wú)需除催化劑，兩相為有機(jī)相和水相，加氫反應(yīng)在有機(jī)相進(jìn)行，催化劑留在有機(jī)相，不會(huì)對(duì)生命體產(chǎn)生毒性，超極化底物進(jìn)入水相[31-32]。更直接的方法是采用異相加氫催化劑，不必考慮活體毒性問(wèn)題，只需將均相催化劑負(fù)載到固相[33-35]，或直接采用固體催化劑[36-41]。

圖5 (a)用于p-H2加成反應(yīng)的均相催化劑，(b)用于SABRE的均相催化劑

Fig.5(a)Homogeneouscatalystforhydrogenationofp-H2, (b)homogeneouscatalystforSABRE

SABRE實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行可逆交換的催化劑對(duì)最終超極化狀態(tài)的傳遞效率至關(guān)重要，首先H2可與金屬中心配位，其次配體交換反應(yīng)的可逆性要好。配位鍵為可逆非共價(jià)鍵，其可逆性與金屬中心、周圍配體及配體本身配位能力，即配位鍵的強(qiáng)弱有關(guān)。若配位鍵較弱，則能配位到金屬中心的底物比例低，導(dǎo)致極化傳遞效率低。若配位鍵過(guò)強(qiáng)，則底物無(wú)法進(jìn)行有效的可逆交換，也會(huì)降低極化轉(zhuǎn)移率。對(duì)特定底物分子，選擇合適的可逆催化劑至關(guān)重要[42-43]，目前常用于SABRE的催化劑是一類含銥的配合物[圖5(b)]，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高且底物適用范圍廣。類似于加氫催化劑，配體對(duì)可逆交換催化劑影響較大[44-45]，可采用環(huán)辛二烯、吡啶[46]、卡賓[47-48]等。與異相加氫催化劑類似，異相SABRE催化劑可通過(guò)將均相催化劑修飾到固相材料上制得，固相材料可選高分子材料[49-50]、無(wú)機(jī)納米顆粒[51]等；也可通過(guò)分相法將催化劑留在有機(jī)相[52-54]，降低造影劑的生物毒性[55]?？捎糜赟ABRE實(shí)驗(yàn)的催化劑除基于銥外，還有基于釩[56]的異相催化劑及不含金屬的催化劑體系[57-58]。

2 仲氫誘導(dǎo)增強(qiáng)極化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 仲氫極化增強(qiáng)技術(shù)在譜學(xué)中的應(yīng)用

常規(guī)NMR譜通常需要樣品濃度大于mmol·L-1或采用較長(zhǎng)的采集時(shí)間，而PHIP和SABRE可將NMR靈敏度提高至少3個(gè)數(shù)量級(jí)，可將所需濃度降為μmol·L-1甚至更低，這對(duì)NMR技術(shù)是質(zhì)的飛躍，為NMR應(yīng)用與表征中間體結(jié)構(gòu)、痕量物質(zhì)等低濃度體系開(kāi)拓了新路。

圖6 Ir催化劑將喹唑啉還原為3,4-二氫喹唑啉的催化機(jī)理圖

在化學(xué)反應(yīng)中，PHIP最早用于研究催化反應(yīng)中間體，催化中間體的結(jié)構(gòu)對(duì)闡明催化路徑、解釋催化機(jī)理并理性設(shè)計(jì)合成催化劑結(jié)構(gòu)具重要意義。盡管如此，由于催化中間體含量少、穩(wěn)定性差及壽命短等特點(diǎn)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)表征存在挑戰(zhàn)。借助仲氫誘導(dǎo)極化(PHIP)，超極化氫原子可作為NMR譜的“探針”，結(jié)合NMR技術(shù)高分辨率的特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)能夠給出豐富的分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息，因此非常適合研究催化反應(yīng)過(guò)程。Guan等采用此技術(shù)研究了一系列催化反應(yīng)機(jī)理，如圖6所示[59]，發(fā)現(xiàn)Ir催化劑以H2作為還原劑，將喹唑啉還原為3,4-二氫喹唑啉，通過(guò)增強(qiáng)NMR譜表征了Ir催化中間體的結(jié)構(gòu)，精確地確認(rèn)了喹唑啉的還原位點(diǎn)，并結(jié)合計(jì)算化學(xué)闡明此催化還原反應(yīng)的路徑和機(jī)理[60]。Tokmic等借助PHIP研究Co催化劑將腈類化合物還原為伯胺的催化機(jī)理[61]，首先將氰基配位到Co(I)原子上，氰基采用端基配位，即氮的孤對(duì)電子與金屬配位；然后將H2加成到金屬中心。NMR監(jiān)測(cè)表明p-H2成對(duì)加成到金屬中心，氰基的配位方式變?yōu)閭?cè)面配位，即碳氮三鍵的π軌道與Co配位，這種配位方式使碳氮三鍵更容易被H2加成。

PHIP也可用于痕量物質(zhì)檢測(cè)。Jeong等采用p-H2加成方法實(shí)現(xiàn)1 μL苯乙烯在1 mL氯仿中的檢測(cè)[62]。在43 MHz核磁上僅需單次采集即可完成，為今后NMR儀器的小型化提供可能。Hermkens等利用SABRE技術(shù)實(shí)現(xiàn)水-乙醇混合物(例如威士忌)中類吡啶物質(zhì)μmol·L-1濃度的檢測(cè)。此技術(shù)操作簡(jiǎn)便，與自制的試劑混合后可直接測(cè)試，無(wú)需對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行提純、分離等操作[63]。Hermkens等通過(guò)SABRE方法實(shí)現(xiàn)咖啡的甲醇提取液中吡啶和吡嗪的檢測(cè)[64]，并借助SABRE將采集擴(kuò)散排序(DOSY)譜所需的濃度降低至μmol·L-1 [65]。

2.2 仲氫誘導(dǎo)增強(qiáng)極化技術(shù)在磁共振成像方面的應(yīng)用

目前造影劑是生物核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)主要技術(shù)手段之一。將造影劑注射/吸入活體內(nèi)，經(jīng)由血管/氣管到達(dá)成像部位，通過(guò)MRI可檢測(cè)造影劑的空間分布[66-68]。目前文獻(xiàn)中已報(bào)道多種基于p-H2超極化的造影劑，其可分為以下幾類：(1)惰性造影劑，在活體中除基本物理行為(流動(dòng)、擴(kuò)散)外，不與活體發(fā)生特定的相互作用。(2)新陳代謝造影劑[69-71]，超極化造影劑參與到活體新陳代謝。(3)生理造影劑[72-73]，對(duì)生理環(huán)境敏感，可用于監(jiān)測(cè)活體內(nèi)pH值、氧含量等關(guān)鍵生理參數(shù)。(4)靶向造影劑[74]，用于研究特定的病理。

2.2.1 超極化造影劑

盡管PHIP能夠顯著提高造影劑在體外NMR信號(hào)，但對(duì)活體內(nèi)MRI信號(hào)的提升很有限，主要是由于以下兩點(diǎn)原因：(1)血液/組織液中存在大量水稀釋造影劑，同時(shí)這些水會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的背景信號(hào)，嚴(yán)重干擾造影劑成像信號(hào)，導(dǎo)致活體內(nèi)信噪比低。(2)超極化造影劑極化壽命較短，其注射/吸入到活體后需要一定時(shí)間才能到達(dá)特定成像區(qū)域，在此過(guò)程中會(huì)因弛豫作用使信號(hào)變?nèi)?。此外活體中存在的微量順磁性物質(zhì)如氧也會(huì)加快超極化造影劑的弛豫，縮短極化壽命[75]。

為獲得高質(zhì)量活體圖像，超極化造影劑需滿足下列條件：(1)活體毒性小，能在活體內(nèi)大量存在且不影響正常生理功能。(2)弛豫時(shí)間長(zhǎng)，在到達(dá)特定成像區(qū)域后依然保持超極化狀態(tài)。(3)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除特定靶向物質(zhì)外不與體內(nèi)其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。(4)對(duì)于液相生物醫(yī)學(xué)MRI，超極化造影劑應(yīng)當(dāng)具有較好水溶性，以保證能夠達(dá)到較高濃度。使用超極化造影劑進(jìn)行MRI檢測(cè)可結(jié)合一些超快速成像技術(shù)，例如自旋回波成像(echo planar imaging, EPI)、時(shí)空編碼(spatially encoded) MRI等技術(shù)，在造影劑超極化狀態(tài)消失前完成采樣能提高M(jìn)RI圖像的信噪比。

2.2.2 液相磁共振生物醫(yī)學(xué)成像

活體內(nèi)存在大量液體環(huán)境(血液、組織液和腦積液等)，許多重要生物化學(xué)反應(yīng)在水中發(fā)生，因此液相MRI是一種極其重要的生物醫(yī)學(xué)成像方法，制備相應(yīng)的水溶性超極化造影劑就顯得非常重要，簡(jiǎn)單介紹三類液相造影劑。

2.2.2.1 新陳代謝造影劑

從檸檬酸循環(huán)中產(chǎn)生的琥珀酸鹽(SUC)和還原型輔酶Ⅰ(NADH)的氧化過(guò)程驅(qū)動(dòng)質(zhì)子穿過(guò)線粒體內(nèi)膜和ATP合成酶，研究表明該途徑的變化發(fā)生在幾種疾病狀態(tài)中。13C-SUC可從前驅(qū)體二鈉1-13C乙炔二羧酸酯(ADC)通過(guò)PHIP方法超極化得到，并可通過(guò)氘代標(biāo)記(富馬酸-[1-13C]-2,3-d2)延長(zhǎng)弛豫時(shí)間(T1從6 s延長(zhǎng)到27 s)。為增加超極化造影劑的疏水性，合成了衍生化二乙基-[1-13C]-富馬酸-d2[69]，該化合物可使用PHIP方法加成H2并實(shí)現(xiàn)超極化，其T1值在由水和重水(9∶1)體系中可達(dá)(54±2) s。

Zacharias等成功制備超極化13C標(biāo)記的琥珀酸(succinate, SUC)和琥珀酸二乙酯(diethyl succinate, DES)，均具有高極化率、長(zhǎng)T1弛豫時(shí)間、低毒性和良好的水溶性等優(yōu)點(diǎn)，并在五種癌同種異體移植動(dòng)物模型中研究了DES和SUC代謝過(guò)程，包括乳腺癌(4T1)，腎細(xì)胞癌(RENCA)，結(jié)腸癌(CT26)，淋巴瘤NSO和淋巴瘤A20[71]。

圖7 攜帶RENCA(a)和淋巴瘤A20腫瘤的大鼠(b)的1H-MRI圖像，以及注射13C-HP DES(上色)后獲得的13C MRI腫瘤的位置(黃色框表示)

Fig.71H-MRIimagesofmousewithRENCA(a)andlymphomaA20(b),andthelocationoftumor(yellowframe)afterinjectedwith13C-HPDES(colored)

2.2.2.2 生理造影劑

pH值失調(diào)是某些疾病的標(biāo)志之一，如過(guò)敏性哮喘、動(dòng)脈粥樣硬化和腫瘤等，研發(fā)pH響應(yīng)的造影劑可實(shí)現(xiàn)基于不同pH值的成像。咪唑-15N2可在80%水緩沖液中進(jìn)行超極化[76]，咪唑-15N2的pKa值為7.0左右，較大化學(xué)位移范圍(約30 ppm)和低毒性使其成為體內(nèi)pH成像的候選分子，如圖8(a,b,c)所示。用于pH傳感的雜核原子不限于15N，也可拓展至其他異核。如3-氟化吡啶對(duì)pH敏感，且19F的信號(hào)范圍大于10 ppm[77]。由于19F具有較高的天然豐度、旋磁比較高、生物系統(tǒng)中可忽略不計(jì)的背景信號(hào)等優(yōu)勢(shì)，因此基于19F的造影劑具重要研究?jī)r(jià)值。

缺氧是腫瘤分化、侵入和放射治療失敗的一個(gè)重要預(yù)兆因素。硝基咪唑的氧敏化合物常被用作缺氧造影劑，當(dāng)它進(jìn)入到缺氧細(xì)胞時(shí)會(huì)與細(xì)胞內(nèi)分子形成共價(jià)鍵而留在缺氧細(xì)胞內(nèi)[73]。15N-甲硝唑能夠通過(guò)SABRE超極化過(guò)程生成高極化水平(大于34%)的底物分子[54]。

圖8 (a)15N2-咪唑質(zhì)子化的分子結(jié)構(gòu)，(b)15N2-咪唑的化學(xué)位移與水溶液pH值間的關(guān)系，(c)不同pH值溶液中15N的化學(xué)位移[4]

Fig.8(a)Chemicalstructureofprotonated15N2-imidazole, (b)relationshipbetweenthechemicalshiftof15N2-imidazoleandthepHvalueofwater, (c)thechemicalshiftof15NinsolutionwithdifferentpH[4]

2.2.2.3 靶向造影劑

超極化靶向分子造影劑在MRI領(lǐng)域報(bào)道較少，但由于其在生命體內(nèi)的高選擇性而極具研究?jī)r(jià)值。首例基于受體成像(如正電子發(fā)射斷層掃描)的PHIP靶向分子探針是丙酸四氟丙酯-1-13C-d3(TFPP)[74]。TFPP具有丙酸鹽類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可與脂質(zhì)雙分子層結(jié)合后縱向弛豫時(shí)間減少[T1=(21±1) s]。與正常喂養(yǎng)的對(duì)照組相比，在動(dòng)脈稠化的小鼠體內(nèi)觀察到13C-HP TFPP在完整心臟心內(nèi)膜表面上結(jié)合緊密，表明TFPP可用于動(dòng)脈稠樣硬化斑塊的體內(nèi)成像分子探針，可作為具有增強(qiáng)MR敏感的受體靶向生物成像模型。

2.2.3 氣相磁共振生物醫(yī)學(xué)成像

活體中存在大量氣體環(huán)境(肺部、氣管等)，對(duì)含氣體較多組織的MRI需要特定的氣體超極化造影劑。目前正著重研究開(kāi)發(fā)除昂貴惰性氣體外的氣體超極化技術(shù)，例如3He和129Xe等，如Ruan等采用DNP超極化的氙氣作為肺部造影劑[78]。PHIP超極化氣態(tài)烴是有前途的替代方案之一[79]，例如超極化丙烷由丙烯與p-H2加成制備，并成功應(yīng)用于模型物體成像以及原位微型反應(yīng)器成像。Kovtunov等將一系列金屬負(fù)載到TiO2基底上作為加氫催化劑，實(shí)現(xiàn)超極化丙烷的三維核MRI[80]。由丙炔生成超極化丙烯需要采用選擇性催化劑，例如Pd-In/Al2O3對(duì)丙烯的選擇性高達(dá)98%，能顯著增強(qiáng)極化產(chǎn)物信號(hào)(對(duì)丙烯的CH基團(tuán)信號(hào)增強(qiáng)3 400倍，相當(dāng)于極化率達(dá)到9.4%)，丙炔的轉(zhuǎn)化率高達(dá)18%，能夠獲得超極化丙烯的1H-MRI圖像，該方法還可以應(yīng)用于選擇性催化氫化反應(yīng)的原位可視化MRI技術(shù)中。

3 結(jié) 論

仲氫誘導(dǎo)增強(qiáng)超極化技術(shù)是一種低成本、高效率實(shí)現(xiàn)超極化的NMR方法，原料p-H2可通過(guò)將H2降溫后加催化劑制得，通過(guò)兩種化學(xué)反應(yīng)可簡(jiǎn)便高效地得到超極化底物分子，已經(jīng)在化學(xué)和生物成像等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，目前的研究重點(diǎn)在多種催化劑和配體的選擇，以及儀器設(shè)備自動(dòng)化方面。雖然仲氫誘導(dǎo)增強(qiáng)極化相關(guān)研究還處于早期階段，但其已經(jīng)展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定會(huì)在化學(xué)和生命研究等學(xué)科發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。