CN111971569A - 多孔基质中的核自旋超极化 - Google Patents

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Abstract

一种增强目标分子(10)的核自旋极化的方法，其使用与目标分子(10)共限域于多孔分子基质(20)中的超极化的源材料(12)。所述基质(20)可为具有适当直径的凹槽的D4R‑聚硅氧烷共聚物，例如polyoligosiloxysilicone 2号(PSS‑2)。将源材料(12)(如仲氢)与目标分子(10)一起转移至基质(20)，施用外部压力以迫使它们进入基质(20)的凹槽。将源材料(12)和目标分子(10)一起进行纳米限域，使自旋极化从源材料(12)到目标分子(10)的转移得以实现或增强。当从基质(20)移出目标分子(10)时，增强的自旋极化大大增强了目标分子(10)在任意后续磁共振测量中的信号强度。

Description

多孔基质中的核自旋超极化
发明背景
技术领域
本发明概括地涉及样品材料的磁共振分析的领域，更具体而言，涉及使用磁共振测量技术分析样品的核自旋极化的领域。
背景技术
核磁共振(NMR)是这样一种现象，其中某些原子核与所施加的磁场成比例地变为磁极化的，因此将吸收并重新发射电磁辐射。它是某些测量技术(包括磁共振成像(MRI)和NMR光谱)的基础。测量NMR信号的一个难点是它们的信号强度相对较低，这需要强大的磁体，其通常使用在低温环境中需要进行极端冷却的超导电磁线圈。
易受NMR影响的核具有与它们的磁矩相关的固有核“自旋”，其自旋极化由外部磁场对齐。这些极化程度往往相对较低，例如，甚至在当前可实现的最高施加磁场值下，平行取向(alignment)相对于反平行取向仍有百万分之一比例的偏向。这导致NMR信号的信号强度相对较低。然而，过去已经使用了增加这种原子核的极化幅度的方法，该过程称为“超极化”。通常，原子核只能在特定环境下超极化，而且该过程通常仅限应用于特定的化合物或材料中特定的原子核。一个常见的实例是分子氢H2的原子核。然而，已经证明了将超极化转移到感兴趣的分子的原子核的某些方法。其中，最熟知的是动态核极化(DNP)，其中电子的自旋极化被转移到目标原子核，但是此过程需要极低的温度(低至1开尔文)、微波辐射以及用含有一个或多个非成对电子的化合物掺杂样品。还已经证明了一种不同的超极化方法，称为仲氢诱导极化(PHIP)，其中氢分子的单重态仲氢(p-H2)(其在室温下通常仅占氢分子的约25％)被富集至更高的百分比并被用于将自旋极化转移到其他分子。但是，这种p-H2的富集也需要低温条件并且将氢分子的非仲部分(正氢，o-H2)催化转化成p-H2。此外，通过NMR或MRI来研究将p-H2的氢核超极化转移到感兴趣分子是一个具有挑战性的过程，该过程可能会受到低浓度的p-H2、与目的分子的混合较差和它们相互作用的化学特异性的影响。
发明内容
根据本发明，提供一种增强目标分子的核自旋极化的方法，该方法使用超极化的源材料和纳米多孔基质，例如纳米孔尺寸在任意给定方向上均小于约1微米的基质。将源材料和目标分子转移到多孔分子基质中(在某些情况下连同流体溶剂一起)，并且在外部压力下，它们被一起限域(confine)于基质的纳米级凹槽(recess)中持续预定的时间，然后从纳米多孔基质中移除目标分子。在纳米级限域(nanoconfinement)的这段时间内，超极化将会从源材料转移到目标分子，从而为它们提供了增强的自旋极化，这将极大地增加了目标分子在随后的磁共振测量期间的磁共振信号的幅度。
在本发明的一个示例性实施方案中，所述源材料包括仲氢，尽管同样可以使用其他源材料。多孔分子基质具有凹槽，该凹槽的尺寸设置为最适合容纳所选的源材料和目标分子，并且在一个特定的实施方案中，该多孔分子基质可以具有在限域的任意方向上的平均直径为1-20nm的凹槽。在整个材料中，凹槽的尺寸可以大致相同，或者可以变化。在本发明的一个变型中，多孔分子基质具有尺寸明显不同的凹槽，其中第一组凹槽相对较小，而第二组凹槽相对较大，甚至包括特征为大于1微米的一个或多个尺寸的凹槽。在一个这样的实施方案中，较小的凹槽可以用于储存超极化源材料，在H2(或p-H2)的实例中，超极化源材料的相对较小的尺寸可以使其以相对适中的压力(<100巴，或甚至<10巴)装载在小的凹槽，而较大的凹槽可充当将源材料和目标分子容纳在一起的纳米级腔室，与此同时将超极化从源材料转移到目标分子。在另一个这样的实施方案中，多孔材料中的较大的凹槽和/或通道或不规则的通路可用于将超极化源材料和目标分子(可能与溶剂或载液一起)两者在整个多孔材料中传输，而继续施加压力(可能到增加的水平)则用于将材料和目标分子一起装载到较小的纳米级凹槽中，从而将超极化从源材料转移到目标分子。
在又一个这样的实施方案中，多孔材料包括，与用于将超极化从源材料转移到目标分子的纳米级凹槽相比，更大和更小的凹槽和/或通道。在这种情况下，具有较大尺寸特征的凹槽和/或通道是为了将源材料、目标分子以及可能的溶剂或载液传输至较小尺寸特征的凹槽和/或通道，其包括用于超极化转移的纳米级凹槽和用于存储源材料的更小的凹槽。在所有的实施方案中，可以在共同的步骤或连续步骤中实现将源材料和目标分子递送至用于超极化转移的纳米级凹槽。
可以施加外部压力以促进将源材料和目标材料(可能与溶剂或载液一起)共同装载到材料的纳米孔区域中。在超极化的转移过程中提供的外部压力在预定时间段内可以基本恒定，其中在该预定时间段内，源材料和目标分子被一起限域于多孔分子基质的凹槽中。或者，外部压力在此期间可以显著变化，并且可以以周期性的方式变化。所使用的外部压力的值取决于基质材料、源材料和目标分子，并且例如可以为0至10巴。
在一个示例性实施方案中，所述多孔基质材料包含D4R-聚硅氧烷共聚物，在一个特定的实施方案中，所述基质材料包含polyoligosiloxysilicone(聚合低聚硅烷氧基硅氧烷)2号(PSS-2)。基质材料包含了尺寸在所需范围内的凹槽，并且该基质材料能够承受外部压力而不会损坏。
附图说明
图1A为本发明的增强磁共振灵敏度的方法的示意图，其提供了这样的一个实施例，其中在施加基本恒定的压力下、以流通模式实施本发明，使超极化源物质和目标物质通过纳米多孔材料。
图1B为类似于图1A的示意图，不同的是本发明的实施方案采用了在高施加压力至低或零(low-or-zero)施加压力的循环。
图2A是这样的示意图，其显示了具有立方体D4R单元(较暗的阴影区域)的连接方案，这产生了小空腔(其中之一用浅阴影有界窗口标记为“a”)和大空腔(其中之一标记为“b”并以阴影球体填充作为代表突出显示)。D4R单元在拐角处通过连接体连接，该连接体在这里显示为代表共价键合或氢键合的链的弹簧。
图2B为图2A中以阴影立方体表示的八角形双四环(D4R)硅酸盐单元的化学结构的示意图。用硅氧烷侧链修饰D4R单元的拐角处的装饰，示例性示出用于制备如图2A所示的纳米多孔材料的化学分枝结构。
图2C是在图2A中标记为“a”的单一的小空腔中的一个空腔的示意图。D4R单元的面(由阴影正方形表示)和代表D4R单元之间的连接体的弹簧形成了空腔的窗口边界。
图2D是在图2A中标记为“b”的大空腔之一的示意图。如图2C所示，弹簧和阴影正方形分别表示D4R单元之间的连接体和D4R单元的面，而球形表示窗口边界内的空腔。
图3A是示例材料PSS-2的扫描电子显微(SEM)照片，显示了非均匀的多孔，其中方框区域‘a’(17±3nm)、‘b’(50-100nm)和‘c’(>500nm)例举了材料中不同大小的孔，该材料还包含直径<5nm的特征的纳米孔，这超出了图像的分辨率。
图3B是示例材料Zeotile-4的SEM照片，其显示出多层次孔。插图‘a’提供了包含许多圆柱形中孔通道的六角形柱体的放大视图，每个通道的自由内直径为7.5nm。插图‘b’提供了类似结构的另一侧视图，尽管其中的六角形柱略微弯曲。放大的区域b突出显示了不同的孔尺寸，这些孔被称为侧袋，其通道窗口(access window)范围为2至3nm。
图4为示出压力驱动下水进入纳米多孔材料PSS-2中的装载(侵入)和卸载(挤出)的图。数据显示了三次连续的侵入-挤出循环，这表明仅使用适度的压力循环即可进行可逆和可重复的装载和卸载，从而得到在高于大气约1.5至10MPa(15–100巴)的压力范围内每克PSS-2装载约2.5mL水的平高线。对于本发明的目的而言，这种水处理可用于将溶剂化的超极化源物质和目标物质递送到材料的纳米级凹槽和/或递送到其中。
图5A是条形图，其显示了在不同温度(5至50℃)和压力(高于大气压0至5.1巴)对下，连续流过包含PSS-2的腔室后剩余仲氢(p-H2)的百分比。包括一个参考实例，其中腔室中不存在PSS-2并且其条件为5℃和0巴(大气压)。
图5B示出在长时间限域于含有或不含有(标记为“参考”)PSS-2的腔室之后的剩余p-H2百分比的图。在重复的实验中，限域时间在0到17小时之间变化，均在22℃和5巴的压力下进行。
图6A是在接近4巴的压力下用H2(热态仲：正之比为25:75)饱和的甲醇-d4(99％氘代度)的两种溶液状态的1H NMR谱图。较低的迹线(尖峰)是用这种溶液在空的标准NMR样品管中采集的光谱，而较高的迹线(宽峰)则在另外包含疏水性二氧化硅粉末(特别是十八碳链(C18)-官能化的二氧化硅)的样品管中采集。二氧化硅材料填充了NMR管，直至NMR检测的整个区域，以便对于与该材料紧密相互作用的这部分样品进行表征。在这两个光谱中，1HNMR峰对应于4.55ppm处的o-H2和甲醇-d4中的残留质子，对于羟基(-OH)质子在4.8ppm处给出一个单峰，对于-CD2H质子在3.3ppm处给出紧密的五重峰。上下光谱之间线宽的巨大差异可以用甲醇和H2分子之间材料诱导的空间有序性来解释，从而导致溶剂和溶剂化气体中的偶极耦合不消失。
图6B为在另外包含PSS-2(其填充到NMR样品管中的程度与图6A中的二氧化硅相同)的样品管中，在4巴的压力下用p-H2(富集到约90:10的仲：正比)饱和的氘代甲醇(甲醇-d4)的溶液状态1H NMR谱图。如图6A所示，在甲醇中，羟基和-CD2H的峰位置明显为4.8和3.3ppm。PSS-2引入了如图6A所示的由C18-二氧化硅材料引起的相似的增宽效果。与图6A不同，此处的o-H2峰由于其较低的浓度和增宽而被遮盖，而图6B还显示由于PSS-2材料中的质子而在1ppm附近有一个独特的峰。还应注意，p-H2是NMR无记载的，因此不会在光谱中提供峰。
具体实施方式
在本公开内容中，术语“纳米孔(‘nanopores’和‘nanoporous’)”用于描述材料内的壁状、笼状或窗口状的封闭物、凹槽或通道，其中一个或多个有界尺寸在1至1000纳米(nm)的范围内。该范围本身包括经典定义的各种不同的孔径[参见，例如Pure and AppliedChemistry,第66卷,No.8,第1739-58页(1994)]，包括被称作大孔(直径，D>50nm)，中孔(D＝2-50nm)和微孔(D<2nm)的那些孔径，也包括例如在边界之间的一维限域，所述边界例如在<1微米内的彼此靠近的弯曲或平坦的材料表面；或者二维限域，例如在具有圆形、椭圆形、正方形或不规则横截面的直管、弯管或柔性管内，横截面存在一个或多个方向，其中自由移动受到彼此之间相隔不超过1微米的界限的限制。
图1A中示意性地示出根据本发明使目标分子超极化的方法的一个实施方案的概述。将感兴趣的目标分子10与超极化的源材料12(例如仲氢或其他超极化氢)以及可能的溶剂或载液14一起引入到多孔基质20中。溶剂或载液可用于促进目标分子和/或超极化源在多孔基质中的进入和移出。在某些情况下，目标分子本身可以充当溶剂或载体，因此明确提及的附加流体可以认为是任选的。在侵入18进入基质20的纳米孔凹槽中时，使用压力源16迫使源材料、目标分子和任选的溶剂或载体彼此紧密接触。在多孔材料的限域内，将自旋极化从源材料12转移到目标分子10，然后从基质中除去(挤出22)超极化的目标分子24。在图1A所示的实施方案中，挤出以流通方式进行，其中多孔基质中的组分被新引入的组分的传入流(incoming stream)置换并从其中被挤出。超极化的目标物质的这种去除可以与部分或完全去极化的源材料26的去除同时发生，或者根据每种组分通过给定基质的相对速率以及特定的压力和温度条件，可以连续地去除超极化的目标和去极化的源材料。
图1B提供了另一种实施方案的概述，其中侵入和挤出是通过调节压力的高低值来实现的。在这里，如图1A所示，将目标分子10与超极化的源材料12以及可能的溶剂或载液14一起引入到多孔基质20，其中施加至最大值的压力16实现了目标和源物质(以及任选的溶剂或载液)的侵入18，并使它们在基质20的纳米孔凹槽内相互紧密接触。这也提供了从源材料12到目标分子10的自旋极化的转移，从而可以从基质中挤出42超极化的目标分子24。然而，在图1B所示的实施方案中，在将压力设置为最小值时发生挤出，这导致超极化的目标物质24在与去极化的源材料26和任选地溶剂或载液离开的同时或在其随后而离开基质的纳米孔凹槽。图1B和1A之间的区别主要在于所施加压力的方式和相应的侵入/挤出的模式。图1B的方案利用了在最大(侵入)和最小(挤出)值之间的压力循环，而图1A描绘了出于侵入和挤出目的而相对恒定地施加高压。
两个实施方案的关键价值在于它们提供了用于观察30超极化NMR或MRI信号的超极化目标材料。通常，并且如图1A和1B所示，观察是在挤出之后进行的，尽管可以根据用户的需要在该步骤之前进行观察。另外，在任一实施方案中，可以采用观察后处理32来回收与新的超极化的源材料34结合的组分，并从侵入开始进行新一轮的该过程，或者可以去除那些组分以进行处置或后续使用。
多孔基质内超极化的转移可以通过一种或多种机制发生，其通过由纳米多孔基质提供的将源材料和目标分子紧密限域在一起而得以增强或实现。这可能包括空间有序性改变的一种或两种组分(源和/或目标)，因为它们与基质的同时相互作用和/或组分在纳米孔区域内被分散为高表面积体积比的气泡或液滴。所述的超极化转移可以在如现有技术基于仲氢的方法所需的那些配位金属催化剂的存在下进行。然而，在不存在这种催化金属中心的情况下，也可以实现在多孔基质中的超极化转移。此外，DNP的典型特定条件(例如微波辐射和低温温度)是不需要的，并且通常会被省略，除非在用于改变分子相互作用的动力学的更温和的低温温度(例如>100K)情况下是可能的。同样地，本发明提供了一种使感兴趣的目标分子超极化的简单、低成本的方法。
为讨论在来源于p-H2的情况下的超极化，首先定义分子是有帮助的，所述分子是氢分子H2的特定自旋异构体。所有的H2分子在化学上都可以看作是通过两个电子键合的两个质子。当两个自旋-1/2原子核(例如多个氢原子中的一对质子核)结合时，它们可能以单重态(称为仲氢或p-H2)或三种三重态之一(统称为正氢，或o-H2)存在。这些形式反映了其中两个自旋-1/2配对的方式。对于三重态，两种可能的配对对应于两种自旋的平行共同取向(co-alignment)，即相对于外部施加磁场的方向为同时向上(↑↑)或同时向下(↓↓)。正交集(ortho set)中的第三种状态是两个反平行自旋对(↑↓+↓↑)/21/2的对称叠加，其中1/21/2的因子是数学归一化的，因此将这一双反平行自旋对来表示一对自旋可能是合适的。尽管这种叠加的存在和物理含义有些违背常理，但是，其是量子物理学中广为人知、接受和理解的现象。
最后，仲氢自旋态是上述叠加的反对称变化，即(↑↓-↓↑)/21/2，用减号代替(↑↓+↓↑)/21/2中的加号。尽管单重态(p-H2)是高能基态，单重态与三种三重态之间非常小的能量差导致在室温下o-H2与p-H2之比率几乎精确到75/25，即，所有四个自旋状态的布局数(population)基本相等。但是，在低温条件下，由于足够冷，可用的热能下降到接近或低于单重态和三重态之间的能量差，因此可在接近30K的温度下捕获>25％的反向形式(包括>90％的p-H2)的氢分子。
为了在合理的时间内实现这种富集，通常在顺磁性催化剂或木炭的存在下进行转化。当H2与此类催化剂或表面相互作用时，分子的对称性会暂时破坏，从而违背o-H2和p-H2之间相互转化的量子力学规则而得以弛豫。这样可以使来源于室温H2的75％o-H2相对迅速地平衡到受低温温度下可用的较低热能所决定的更低分数。当从催化剂中除去或置换此类通过低温和催化方式而平衡的氢分子时，p-H2部分的这种富集持续存在。当随后保持在合适的惰性、非催化环境中时，高达50％、90％或甚至99％的仲氢富集水平在室温下可持续数周至数月。因此，它成为非玻尔兹曼(非热平衡)自旋有序的长寿命储库，其已被用于通过化学反应将超极化转移到其他分子的核自旋中，这再次破坏了H2分子的对称性。
p-H2的应用见于NMR或MRI领域，其通过将超极化转移到感兴趣的分子以增强灵敏度。在NMR或MRI实验中，测得的信号与各种能量状态中的布局数之差成正比。这些状态及其能量主要根据核自旋磁化相对于外部施加磁场的取向而不同。在正常情况下，布局数差异很小，通常在百万分之(ppm)十的范围内，或者一种自旋取向相对于另一种而言，偏向0.001％。但是，在几乎纯的p-H2的极端情况下，基本上所有可用的氢分子都共用相同的能态，并且消失的部分布局在正态。自旋布局数的巨大差异是超极化的本质，并且可以导致NMR或MRI信号强度的大幅增加(最高达105倍)。
然而，在实践中使用p-H2的此特性需要将p-H2提供的自旋有序转移和转换到其他目标分子。这就要求使用非相互作用的材料来防止超极化的弛豫，直到它准备好转移，并要求专家执行后续的物理和化学步骤以实现所述的转移和转换，在某些情况下还需要额外的将产品有效递送至NMR或MRI设备进行观察。这对于生成和反应p-H2，以及通过NMR或MRI观察由此产生的信号增强的设备的设计至关重要。
有多种已知的化学方法将超极化从p-H2转移到目标物质。最早的方法涉及p-H2与不饱和有机化合物之间的氢化反应。后来，人们发现了一种非氢化方法，该方法涉及催化剂与各种底物(包括p-H2和一种或多种目标分子)之间的瞬时相互作用。氢化方法通常称为PHIP(仲氢诱导极化)，或者更具体地说，称为PASADENA(仲氢使核排列显著增强(parahydrogen allows dramatically enhanced nuclear alignment))或ALTADENA(绝热纵向迁移和解离导致核排列(adiabatic longitudinal transport and dissociationengenders nuclear alignment))实验。具有瞬时催化相互作用的非氢化情况通常称为NH-PHIP，或者更具体地称为SABRE(通过可逆交换的信号放大)实验。
通过本发明的方法，氢化的PHIP和NH-PHIP可以在纳米孔材料内进行，从而能够调节潜在的化学相互作用的物理化学条件，以及相应地改善了从p-H2到目标物质的超极化转移。通过纳米限域实现调节和改善的情况包括，例如，p-H2的溶解度增加、在潜在的化学相互作用中改变的动力学和平衡布局数以及甚至是所涉及化合物的结构改变、可以调节超极化转移所需的自旋-自旋偶联的效应。除PHIP和NH-PHIP之外，还有其他超极化转移方式，其不是在完全或可逆的(催化)化学反应条件下，而是依靠源物质和目标物质的单纯临接方法(vicinal approach)。这可以包括被称作残留偶极耦合(RDC)的自旋-自旋偶联的引入，其在分子具有空间限域和/或局部排列时发生。例如，可将用于超极化转移的RDC引入以用于使p-H2和/或目标分子内的核自旋，在它们被限域于多孔材料的腔室或凹槽中的时候。
在本发明中，用于多孔基质的特定材料是重要的，其确保了能够有效地将源和目标的共同限域，并且能够高效地进行所期望的极化转移。材料的气孔具有通常被称为“纳米孔”的尺寸，并且在本公开的范围内为了达到最佳性能，材料应该是具有平均直径为1-20nm的孔的材料。特别地，孔应该足够小以表现出纳米限域的特性效果，通过将源材料和目标分子紧密地共同限域在多孔基质内来增强或实现超极化的转移。当小分子(例如水)的特征尺寸低于约0.5nm时，20nm或更大的孔径将导致据测量得到的约40个分子穿过的平均直径，此时纳米限域作用将减弱。同样重要的是，孔不能太小，因为这将需要非常高的压力(例如，超过100巴)才能迫使液体进入材料的凹槽，并且可能会将感兴趣的较大目标分子排除在凹槽外。
在本发明的一个实施方案中，多孔材料具有非均匀排列或分层排列的孔径。例如，图3A示出了PSS-2样品内的具有非均匀多孔的区域的SEM照片。如结合图2A-2D所述的那样，材料中存在直径小于5nm的孔，但由于SEM分辨率接近3-4nm，因此在图3A中看不到。但是，在标有“a”、“b”和“c”的方框区域中清楚地显示了各种较大的孔径。单独的“a”区域包含随机无规分布的直径约(17±3)nm的孔。当在开发材料内产生HCl气泡时，在合成的连接步骤过程中形成这些口袋。在“b”区域明显有较大的孔径(直径约50-100nm的开口)，最后，区域“c”是特征尺寸大于500nm的更大的空腔。在图3B的SEM图像中描绘了一个单独的示例，在这种情况下为具有不同特征尺寸的纳米孔的分层材料(Zeotile-4)。插图“a”放大到包含许多圆柱形通道的六边形柱，每个通道的自由内直径为约7.5nm，长度最高达几微米。它们是由Zeotile-4合成过程中存在的圆柱形模板胶束生成的，并通过煅烧将其在合成后去除。(参见，例如，Sara Bals等人，Quantitative Three-Dimensional Modeling of ZeotileThrough Discrete Electron Tomography,Journal of the American ChemicalSociety,2009 131(13),4769-4773)。插图“b”提供了类似结构的另一种侧视图，尽管六边形柱略微弯曲。所述另一种视图突出显示了不同的孔，这些孔被称为侧袋，其通道窗口范围为2至3nm。这些孔与插图“a”中突出显示的孔具有特定的结构关系，因此被称为分层孔。
在非均匀或分层的多孔的情况下，只要有一些孔落在纳米限域的期望范围内，那么仍可以实现所需的效果。此外，如果较小的孔散布在1-20nm范围内的孔中，则较小的孔可以用作分子大小小于源和/或溶剂分子的源材料(例如仲氢)的存储位置。大的孔然后可以用作容纳源材料和目标分子之间相互作用的腔室。同时，更大孔径的特征(例如，孔、通道或包括较小孔径特征的区域之间的间隙)可提供有效的途径，以将源物质和目标物质广泛且几乎均匀地分布到多孔材料的纳米级和较小的凹槽，以及在从源到目标的超极化转移后的有效去除。
压力的施加对于该过程是重要的，但是压力可以以不同的方式施加。在一个实施方案中，对于侵入和挤出步骤，压力都升高。例如，如果系统以“流通”布置运行(如图1A所示)，这将特别有用。例如，给定的恒定压力可以用于驱动目标物质和超极化源物质向纳米孔区域的连续供应。这些物质将在纳米孔内经历平均的共存时间，从而允许从源到目标的超极化转移，同时新鲜输入的连续料流将最终置换超极化的目标分子和去极化的源分子。
在另一实施方案中，在该过程中压力是变化的，特别是可以是周期性的。即，如图1B所示，在该过程中，压力水平可以在最小压力水平和最大压力水平之间反复变化。以此方式，最大压力条件将用于将新鲜的目标和超极化的源物质装载到纳米孔区域，并且一些中等至最大的压力水平将保持一定时间，在此期间纳米孔内的共存使得源至目标的超极化得到充分转移。此后，降低到最小压力将允许释放超极化的目标分子和去极化的源分子。然后可以重复该循环以进行随后的多轮超极化转移。
在任一实施方案中，超极化目标分子从纳米孔的挤出或释放(可能包括其从材料中的完全去除和分离)之后，可以在被挤出样品中的核之间进行额外的转移或超极化的转移。这样的额外转移可以是分子内(例如，使用INEPT(不敏感的核增强极化转移)脉冲序列或交叉极化(CP)方法)，也可以是分子间(例如，使用NOE(核Overhauser效应)、其他偶极-偶极相互作用或化学交换)。同样在挤出之后，在有或没有这种额外转移的情况下，也可以观察来自目标物质和/或进行转移超极化后的额外步骤的目标物质的NMR或MRI信号，其中由于超极化而相应地获得灵敏度。作为另一选择，可以在挤出之前，对于多孔基质内的超极化物质进行NMR或MRI观察。无论观察的时间长短，在挤出后，人们都可以选择去除观察到的组分以进行处置或后续使用，或者将其回收再利用以连同新鲜的超极化源材料一起再次进入该过程中。
多孔基质
在本发明的一个示例性实施方案中，使用称为“PSS-2”的polyoligosiloxysilicone作为多孔基质。硅酮是具有式[-SiRR’-O]n的聚硅氧烷且具有优异的耐热性和耐辐射性，以及良好的机械和化学稳定性。这些聚合物包含由交替的硅原子和氧原子组成的线型或支化的主链，并用与硅原子相连的有机基团R和R'修饰。最常用的直链实例为聚二甲基硅氧烷，其包含为甲基的等效R和R’种类。支链聚硅氧烷特别应用于色谱、电子、涂料和药物。它们通常是通过多官能硅烷单体的缩聚反应或通过涉及支化点分子(branch point molecule)的共聚过程合成的。通过其八倍的官能度(即八个化学反应角)，高度对称的八聚体双四环环硅酸盐(D4R)构成了理想的支化点，例如可用于形成多孔三维(3D)结构。
本发明利用了聚硅氧烷在化学应用中有利的物理化学性质(柔韧性、耐化学性、热稳定性等)，特别是使用了聚硅氧烷的多孔3D骨架，其优选以重复方式排列，从而产生结构有序性。在某些情况下，由于结构的柔韧性和运动，或者由于结构的暂时性塌陷(收缩(deflated))状态，这种有序性可能会被如X射线晶体学的技术掩盖。然而，无论是否被掩盖，这种有序性对于本发明都是有价值的。超极化的源物质和目标物质以及任选的溶剂或载液可以通过连续或可变的压力装载和卸载到PSS-2或其他聚硅氧烷材料内的纳米孔凹槽中。
在PSS-2中，D4R单元以3D重复结构排列，如图2A所示，除了D4R内部，它还提供两种空腔类型，标记为“a”(小空腔)和“b”(大空腔)。图2B详细显示了D4R单元中的原子，其包括存在于D4R拐角处的Si原子以及连接到这些拐角的片段中的Si原子。例如，在此图案的右侧，显示了三个带有终止基团的拐角，这些终止基团未与其他D4R单元连接。同样，在图2B的左侧，显示的实例包括连接材料中不同D4R单元的角(Q4 Si原子)的二甲基硅氧烷链。在左下方，n个重复的D2二甲基硅氧烷基团的链与相邻D4R单元的拐角上的Si原子连接。左上方显示了n＝2的情况下的连接体。多孔材料可以使用混合长度的连接体或相对均一的连接体形成。在均一的n＝2连接体的实例中，相似大小的a和b型孔的直径约为1-2nm。对于材料中所有或几乎所有的D4R单元，在八个角上都有匹配的连接体的情况可能会导致更有序的大型结构。但是，即使不均一的连接也可以提供在本发明中使用的纳米孔质量。最后，图2C和2D是图2A中被隔离出的小空腔和大空腔的放大视图。
解析来自不同硅原子类型的29Si信号的NMR分析提供了一种表征连接体的交联度和链长的方法。此实例中存在的各种Si位点包括标记为以下的类型：Q4(与4个氧原子键合，其各自提供了另一个作为对第一个氧原子呈次近邻的Si原子)、Q3(类似地，但4个氧原子中的一个未与另一个Si原子键合)、D2(与两个氧原子键合，每个氧原子连接到随后的Si原子)、D1(与两个氧原子键合，但只有一个氧原子连接到随后的Si原子)和M1(仅与一个氧原子键合，其本身连接到随后的Si原子)。连接度(D4R立方体的交联近似地由Q3(-OH终止的D4R拐角)和Q4(连接的D4R拐角)的29Si NMR峰的面积AQ3和AQ4决定，因此，拐角的分数连接度由AQ4/(AQ3+AQ4)给出。类似地，与其他硅原子类型相对应的峰面积揭示了杂质水平和副产物。例如，未连接的D2位点在-21ppm附近显示一个狭窄的29Si NMR峰，该峰的面积可用于确定聚二甲基硅氧烷副产物的量，而PSS-2连接体中D2位点的峰则宽得多，并出现在-16ppm附近。类似地，在-9ppm处D1位点的峰表征了断裂的连接体的量，并且另一类型的位点，Q2(图2B中不存在)在-91ppm处显示了一个峰，该峰的面积决定了塌陷的立方体的数量，该立方体中D4R单元的一个或多个边缘断裂。
过去已经通过添加牺牲模板或通过在交联过程中使用的发泡技术产生了多孔聚硅氧烷。然而，很少实现在由交联的D4R单元构建的支化聚硅氧烷中引入气孔，并且通常不会产生所期望的结构规则图案。例如，D4R–聚硅氧烷共聚物是通过二甲基二氯硅烷与溶解在水中的D4R环硅酸盐分子反应获得的。在那种情况下，由于Si-Cl位点与水之间发生的不需要的副反应，高的水浓度会阻止可控的聚合反应，从而导致形成无规D4R–聚硅氧烷共聚物。另外，不希望的副反应会产生独立的或悬垂的二甲基硅氧烷低聚物。
最近提出的降低体系中水浓度的一种选择是使用水合环硅酸盐(CySH)晶体作为D4R单元的源。尽管CySH晶体通常含有大量的结晶水，但许多水分子可以去除(脱水)而不会发生结构塌陷，从而可以合成具有连接D4R单元的硅酮桥的规则结构的D4R–聚硅氧烷共聚物。该聚合环境还限制了不需要的副反应的发生。
在一种方法中，通过使四丁基铵环硅酸盐水合物(TBA-CySH)晶体(具有理想化式[N(C4H9)4]H7[Si8O20]·(5.33H2O))与二甲基二氯硅烷蒸气反应来合成PSS-2。在这种情况下，将图2A的3D结构在起始材料中模板化，因为TBA-CySH晶体是具有几何排列的D4R单元的氢键骨架，该几何排列与所需最终产品中的几何排列相同。在从TBA-CySH进行合成的过程中，小空腔(图2A中的“a”)通常包含质子化的水簇，而大空腔(图2A中的“b”)包含6个TBA阳离子，在其边界的每个窗口中有一个TBA阳离子。这些有机阳离子和质子化水簇的正电荷抵消了D4R单元上硅烷醇基的负电荷。在与二甲基二氯硅烷蒸气反应并随后用水蒸气处理后，起始TBA-CySH晶体的氢键被二聚二甲基硅氧烷共价连接体替代。该过程通过以下方式进行：通过在真空下排空未反应的二甲基二氯硅烷并随后用水蒸气处理来完成交联反应，由此从结构中除去所有氯原子。最后，回收白色产物。将PSS-2在300℃下煅烧，以从其孔中除去TBA和三乙胺。然而，应避免高温以保留二甲基硅氧烷基团，因为硅氧烷桥的甲基基团被认为在550℃的温度下会丢失。
当由D4R单元制造多孔基质时，测试表明晶体形态取决于结晶时间。十天后回收的TBA-CySH晶体相对无定形，而生长超过二十一天的晶体表现出明显的晶面。但是，无论晶体形态如何，材料均表现出相同的微观和纳米孔结构。此外，TBA-CySH晶体的化学组成对应于[N(C4H9)4]1.2[N(C2H5)3]0.24[Si8O20H8].(5.6-6.6)[H2O]，接近于在没有三乙胺的情况下获得的[N(C4H9)4]H7[Si8O20].5.33H2O的理想化组成。这种非常近似的理想化化学计量也表明了材料具有图2A所示的所需的规则结构。
在本发明中，所述的合成方法是获得具有感兴趣的纳米级的内部凹槽的一种坚固、多孔和互连的材料的示例性途径，以促进从源到目标物质的超极化转移。根据图1中的方案，可以在纳米级凹槽中装载和卸载这些物质以及任选的溶剂或载液。当基于二甲基硅氧烷的连接体中的n＝2时(图2B，左)，上述步骤得到的PSS-2具有直径为约1-2nm的纳米级孔(图2A、C和D)。用于本发明的PSS-2的另一个有价值的特征是可以通过改变n来调节其孔隙率。例如，每个加入的Si-O-Si单元使连接体的长度增加约0.3nm。这可有助于优化用于以下方面的材料：例如将超极化源和目标物质分布到材料内的纳米孔，在方便的操作条件下(例如，压力和温度)将其在孔中接纳和去除，以及它们在纳米孔中时所经历的物理条件。例如，可以修改孔的尺寸，以便更有效地将超极化从源转移到目标物质，并且根据需要，可以在转移之前和之后相对缓慢地弛豫超极化。
图4和5中详述了证明PSS-2对本发明的适用性的实验结果，图4和5分别探讨了PSS-2与水性溶剂和仲氢的相互作用。在每种情况下，所用的PSS-2样品在其合成的煅烧步骤后在D4R单元之间均表现出89％的连接性。此外，29Si NMR结果表明<2％的游离聚二甲基硅氧烷，<2％的断裂连接体和<1％的塌陷的D4R立方体。关于在图4和5的实验中使用的材料的合成和分析的附加细节如下。由氢氧化四丁铵、原硅酸四乙酯和三乙胺的水溶液合成TBA-CySH晶体。与二甲基二氯硅烷反应后，这些晶体被转化为PSS-2。PSS-2的热重分析表明，在300℃下煅烧该材料可有效去除所有有机物，而二甲基硅氧烷基团则保持不变。N2-物理吸附和X射线衍射表明PSS-2是致密的无定形物质。PSS-2的孔隙率和表面积可以分别通过众所周知的t-图法[如Langmuir,卷30,No.44,第13266-74页(2014)中所述]和BET(Brunauer-Emmett-Teller)分析法[如Pure and Applied Chemistry,卷66,No.8,第1739-58页(1994)中所述]使用N2物理吸附进行测定。在N2物理吸附条件下，PSS-2表现出是一种比表面积为5m2/g(其被认为是颗粒的外表面)的致密材料。
根据1H解耦单脉冲魔角旋转(MAS)NMR，在这种PSS-2制备中的D4R单元通过短的二甲基硅氧烷链互连。D2/Q4比率应理解为两个和三个二甲基硅氧烷基团的硅氧烷链桥的量大致相等。为了合成由通过两个二甲基硅氧烷基团均匀连接的D4R单元组成的材料，在合成中降低了二甲基二氯硅烷与TBA-CySH母体材料的比率。使用29Si MAS NMR技术对不同材料进行了表征，提供的证据表明它们已部分转化为PSS-2，其中D4R单元始终通过相似组合的短硅氧烷链桥连接。发现在煅烧步骤之后经历中间转化为PSS-2的材料是最多孔的。1H解耦的29Si单脉冲MAS-NMR提供的证据表明PSS-2吸附的TBA-CySH材料在煅烧步骤中大部分塌陷，从而在PSS-2材料中留下空隙。合成、煅烧这样一种中间转化的PSS-2材料并将其用于下文所述的高压侵入挤出实验(图4)和p-H2稳定性测试(图5)。
水侵入-挤出实验表明(使用大约0至3巴的适度压力循环)，可以从PSS-2重复装载(侵入)和卸载(挤出)液态水。这样的过程可以用于将溶剂化的超极化源和目标物质递送到材料的纳米级凹槽和/或其内。图4提供了使用PSS-2进行水的三次连续侵入-挤出循环的数据。这显示了可重复的循环，其中在约1.5–10MPa(15–100巴)的范围内出现了每克PSS-2负载了约2.5mL水的平高线。临界压力范围(即变化率最大的位置)发生在大约0.3-0.4MPa(3-4巴)的范围内。用20M的LiCl水溶液也获得了相似的结果，在约20-80巴时出现了平高线。尽管与纯水相比，该LiCl溶液的总浸入量降低了约10％。但是，PSS-2在装载纯水或接近饱和的离子水溶液时具有相似的性能，这证明了与该材料的压力驱动的侵入-挤出循环兼容的流体的范围非常广。这对于本发明是有价值的，其中可期望将任意流体组分装载和卸载到纳米孔材料中。以此方式，可以调整组分本身所经历和提供的条件，以对从源物质到目标物质的超极化转移产生积极影响，而不受限于所述材料对于这些物质或包含它们的特定溶液类型的接受度。
还值得注意的是，在图4所示的水上所呈现的和在LiCl溶液上也进行的侵入-挤出数据是在初始设置后采集的，该数据显示粉末在第一次侵入事件中发生了大量压缩，其结果归因于部分大孔的坍塌。对于随后的侵入-挤出循环(图4)，材料保持稳定，这显示出完美的可叠加的侵入和挤出曲线。这种可重复性证明了该材料能够承受最高达200MPa的压力。同时，水和LiCl溶液在剩余(未坍塌)的大孔(D>50nm)和中孔(D＝2-50nm)中的侵入-挤出的临界压力相对较低，并且很容易达到(侵入压力为最高达5MPa，挤出压力0.3MPa)。该材料能够吸收大量的液体于这些孔中(对于水为1cm3/g，对于LiCl溶液为1.1-1.2cm3/g)。应注意，“中孔”的使用遵循了前文引入的经典定义，因此对应于本发明感兴趣的纳米孔状态。在给定压力状态内填充的孔径范围通过水银孔隙率检测法[如Pure and Applied Chemistry,卷84,No.1,第107–136页,2012中所述]测定。升至更高的压力(即由5到200MPa)，材料的微孔(D<2nm)分别填充了0.5cm3/g的水和0.4cm3/g的LiCl溶液。
在图5中给出了本发明的PSS-2价值的另外的关键证明，其探讨了在暴露于PSS-2期间p-H2的寿命。这对于证明材料本身不会淬灭p-H2的自旋有序是至关重要的。即，在使p-H2侵入本发明中所用的材料之后，随后除去的(挤出的)氢分子由与输入该材料中基本上相同的p-H2富集部分组成。这使得该材料作为该超极化气体的容器特别有效，因为该材料本身不会迅速破坏(淬灭)其超极化性质，而是可以用来将超极化性质转移到所需的目标。
图5A和5B显示了两种实验类型。图5A探索了在流动接触PSS-2后，温度和压力对于p-H2弛豫(接近其25％的平衡布局数)的作用。图5B探索了在将限域于所使用PSS-2的腔室中可变的暴露时间时(最高达17小时)，在22℃和高于大气压5巴的特定情况下，p-H2弛豫的情况。对于这两种实验类型，由Bruker仲氢发生器(BPHG)(由Bruker BioSpin Corp.,Billerica,MA制造)均获得了富集到初始p-H2水平接近90％(因此o-H2接近10％)的氢气，然后将其引入由黑色Delrin(聚甲醛)组成且容积为0.4cm3的带阀腔室。该腔室包含0.32cm3的PSS-2，或者留空作为参考情形。使用标准分析法分析挤出气体中p-H2和o-H2的拉曼旋转光谱特征的强度，以测定存在的p-H2的百分比。限域持续时间远远超过了使用PHIP或NH-PHIP方法中的相互作用以及从p-H2至目标分子的超极化转移所需的典型时间(秒至数十秒)。
图5A是条形图，其显示了在不同的温度和压力(5至50℃和大气压上0至8.9巴)下，在富含p-H2的气体流经包含0.32cm3的PSS-2样品的密封腔室后，剩余p-H2的百分比。在所有情况下，流速都是相似的(100-200cc/min)，尽管根据压力和温度的条件会有一些变化。应该注意的是，与水的情况不同，H2(和p-H2)气体甚至在0巴(即大气压)和图5中所示的所有更高压力下都渗透到PSS-2材料中。图5A中包含的参考情形(不含PSS-2)在5℃和0巴下运行，与最初引入的p-H2水平相比，p-H2水平(90.0％)并未示出可检测到的变化。对于在22℃和0或4.2巴下的PSS-2暴露的情况也是如此，两者在p-H2水平上显现了仅为-0.06％的无关紧要的变化，这接近实验的不确定性。同时，在更冷温度(5℃)或更暖温度(50℃)下使用类似的升高的压力(4.2-5.1巴)，与参考值相比也无明显变化，分别为+0.8和-0.3％。
图5B更详细地探讨了，在0.4cm3的腔室中在5巴和22℃的条件下对88％p-H2的限域暴露的情况下，PSS-2对p-H2寿命的影响。在连续15个小时暴露于PSS-2后，仅显现出轻微的减少(-2.4％)，减少到约85.6％p-H2。类似地，在相同条件下，但没有PSS-2的情况下，在腔室内限域17小时，仅产生了-2.9％的变化，达到85.1％p-H2。图5B还显示了从暴露和参考数据集中对时间序列进行basic求值的线性拟合。斜率没有显著差异，因此正/仲转换速率是无法区分的。这些结果反映了众所周知的正氢和仲氢互变的长寿命。更重要的是，他们强调指出，在这些条件下，PSS-2对p-H2的寿命影响不大。
图6A和图6B示出了在材料的多孔凹槽内限域氢、溶剂和其他小分子的明显和积极的影响。图6A提供了两种溶液状态的1H NMR光谱。这两种溶液状态都是在约4巴的压力下用H2(热态仲：正之比为25:75)饱和的甲醇-d4(氘代度为99％)。较低的迹线(尖峰)是用这种溶液在空的标准NMR样品管中采集的光谱，而较高的迹线(宽峰)则是在另外装有疏水性二氧化硅粉末(特别是十八碳链(C18)-官能化的二氧化硅)的样品管中采集的。在这两个光谱中，1H NMR峰对应于4.55ppm处的o-H2和甲醇-d4中的残余质子，从而在4.8ppm处给出羟基(-OH)质子的单峰，在3.3ppm处给出–CD2H质子的紧密五重峰组。图6B显示了相同类型样品的相似光谱的增宽，不同的是在4巴的压力下使用甲醇和p-H2(富集至约90:10的仲:正比)，并在样品管中填充了PSS-2来代替二氧化硅材料。
在二氧化硅材料存在下观察到的更宽的线形可以通过甲醇和H2的空间有序来解释，这是由于它们的压力诱导限域于材料的凹槽中。这样的有序性引入了非零的(残留的)偶极耦合，从而扩展了由小分子所表现出的NMR频率分布。有序性和随后的RDC是由于分子运动受抑制而引起的，而在各向同性溶液状态条件下的自由运动会将偶极耦合平均为零。
增宽表明，可通过多孔材料(例如PSS-2和二氧化硅)引入RDC或其他自旋相互作用。可以通过方法如CP或TEDOR(转移回波双共振)来操纵新出现的耦合，以实现自旋极化在核之间的转移。这包括在不同分子(例如p-H2(超极化源))中的原子核与被靶向超极化所伴同的分子物质之间的转移。
总之，图4、5和6A-6B的结果证明了PSS-2对于本发明的适用性。所显示的材料证明了在方便的易达到的压力范围内的行为，例如侵入和挤压，所述压力范围可以促进超极化方案，如图1中呈现的那些。此外，PSS-2甚至可以承受最高达200MPa(20巴)的高压，能够在1–10巴的较适度范围内进行可重复的侵入－挤出循环。当液体侵入多孔材料(例如沸石、硅胶或金属有机骨架(MOF))中时，几乎看不到这种特性。PSS-2吸收溶解有试剂和催化剂的水的能力允许了对于试剂的限域，在其物理和/或化学相互作用期间引入扩散限制，以及随后通过压力转换循环(即，下降到相对较低的压力)释放发生物理或化学变化的产物。
此外，对p-H2寿命的影响小到可以忽略不计也是一个基本特征。尽管许多材料允许p-H2转化为o-H2，但在方便的操作温度下保持p-H2自旋有序非常困难。例如，对高表面积材料的吸附可以使p-H2快速转化为o-H2，并且即使将p-H2存储在肉眼可见的瓶中，也需要仔细选择材料和/或存储容器的内部涂层，以避免转换。在此，p-H2稳定性测试表明，在5-50℃的温度范围和约0-5巴的压力范围内，与PSS-2接触后，p-H2的浓度不受影响。在室温和4-4.5巴的压力下，PSS-2即使接触长达15小时也不会影响p-H2浓度。
同样重要的是，图6B证明了可以实现从超极化的源到伴随的目标分子的极化转移的偶联。在如图4和5所示的类似压力、温度和溶剂条件下使用PSS-2观察到了这一点。这表明系统和条件同时有利于侵入/挤出，避免了无效的(unproductive)损失(超极化的弛豫)，以及超极化的有效(productive)转移的机会。总而言之，这些结果使PSS-2这样的材料成为理想的材料，其利用仲氢与用于后续NMR或MRI分析的目标物质之间的瞬时、紧密相互作用来增强NMR或MRI灵敏度。
取决于溶剂和溶质的性质(例如极性、吸附行为)以及所选的操作模式(流通与压力转换)，可以调整纳米多孔基质材料的性质以优化性能。例如，在使用水作为溶剂的压力转换过程中，优选地，基质材料通常存在非极性内表面。这避免了溶液与基质的内表面之间的过度吸引，从而使得转换循环的最小压力段趋向于使先前侵入的极性溶液排除。图4描述的实验是这种情况的代表，对应于极性水溶液和非极性PSS-2材料。当改为使用非极性溶剂进行压力转换循环时，将相应地利用具有更多极性内表面的纳米多孔基质。独立于操作模式(即，流通模式或压力-转换-循环模式)，可以通过利用具有其根据特定应用而确定的内表面极性的纳米多孔基质也具有类似的益处。以这种方式，人们可以调节各种物质(溶剂、源和目标)在纳米孔腔室内的停留时间，并改变它们与孔壁以及彼此之间相互作用的程度和性质，所有这些都改善了从源到目标的超极化转移，并使旋转弛豫最小化或受限。
合成和表征的附加实验细节
TBA-CySH的合成
在用于PSS-2合成的TBA-CySH的合成实施例中，将54.8g原硅酸四乙酯(TEOS)(Acros 98％)缓慢添加到三乙胺(42.2g)和四丁基氢氧化铵(58.5g，40重量％的水溶液)的搅拌水溶液中。将混合物搅拌十天后，通过在12000rpm下离心2小时来回收形成的晶体。还证明了按比例放大约四倍且搅拌时间约两倍的类似方法，也可产生适用于随后制备PSS-2的TBA-CySH晶体。
PSS-2的合成
在合成PSS-2的实施例中，将约180毫克的TBA-CySH晶体(十天后回收)在密闭的1L玻璃烧瓶中在真空(1毫巴)下干燥。在干燥72小时后，分别加入不同量的二甲基二氯硅烷，分别为90μL、178μL、185μL、236μL和388μL。将硅烷加入烧瓶内的容器中，以防止与晶体直接接触。在反应六天后，在24小时内真空除去过量的硅烷。最后，通过添加6mL的水(对于还添加了388μL的二甲基二氯硅烷的情况)或对所有其他样品添加6mL的氨水溶液(25质量％)来终止合成。在二十四小时后，打开玻璃烧瓶，收集白色PSS-2粉末。
如下所述，合成了用于液体的高压侵入-挤出循环和p-H2稳定性测试的PSS-2样品。将8.5克TBA-CySH晶体(21天后回收)在干燥器(13L)中在真空(1毫巴)下干燥。在干燥72小时后，加入14mL的二甲基二氯硅烷。将硅烷添加到干燥器内部的容器中，以防止与晶体直接接触。反应两周后，在二十四小时内在真空下除去过量的硅烷，并通过添加10mL氨水溶液(25重量％)来停止反应。在二十四小时后，打开干燥器并收集白色粉末。在每种情况下，将煅烧的PSS-2粉末在氮气流下加热至300℃，持续3小时，然后在100℃下保持过夜。
PSS-2材料的表征
在300MHz Bruker Avance III光谱仪(由Bruker BioSpin Corp.,Billerica,MA制造)上，在用于29Si的共振频率为59.6MHz下记录TBA-CySH和PSS-2颗粒的固态核磁共振光谱(吸水实验之前和之后)。将样品在4mm氧化锆转子中以10kHz旋转，该转子与相对于所施加的磁场成魔角(54.74°)对齐。对于1H-解耦的29Si单脉冲魔角旋转(MAS)NMR光谱，记录了448次扫描，循环延迟为513.6s，90°脉冲为3.75μs。通过使用Spinal 64序列对在448次扫描中记录的CP-MAS-NMR光谱中的1H→29Si交叉极化(CP)进行去耦，其中循环延迟为6s，1H的90°脉冲为3μs且CP接触时间为3.5ms。使用Micromeritics Tristar仪器在-196℃下记录煅烧材料的氮吸附/解吸等温线。比表面积(BET)和微孔体积(μV)分别使用BET和t-图方法计算。
使用改良的水银孔隙率检测仪(Micromeritics Model Autopore IV)在室温下对PSS-2进行经过三个周期的水侵入-挤出实验。包含水/PSS-2体系的池由2cm3的聚丙烯圆筒组成，该圆筒由活动活塞密封。将该池引入充满水银的孔隙率检测仪的15cm3玻璃池中。通过容量测量确定体积变化，该容量测量取决于玻璃池的毛细管中的水银高度。在减去与纯水的压缩系数相对应的曲线之后，获得实验的侵入-挤出曲线。压力以兆帕(1MPa＝10巴)表示，体积变化以毫升/克样品(mL g-1)为单位。p-H2是由Bruker仲氢发生器(BPHG)生成的，该发生器将氢气中p-H2和o-H2的25/75室温混合物转化为大约90/10p-H2/o-H2。起始气体为来自高纯度钢瓶或伴有电解源的BPHG的99.999％H2。将体积为0.32cm3的PSS-2(在预煅烧中占55％，煅烧后占89％，用于p-H2实验中)放入总体积为0.4cm3的黑色Delrin容器中。将容器的温度保持在5至50℃之间的设定点，并且将内部p-H2压力设定为0(大气压)至比大气压高8.9巴之间的值。残留的p-H2浓度是通过标准方法使用用于测定o-H2与p-H2比例的拉曼光谱法来测定的。

Claims (20)

1.一种增强目标分子的核自旋极化的方法，该方法包含：
提供超极化的源材料；
将源材料和目标分子转移至多孔基质中；
在外部压力下将源材料和目标分子限域于基质的凹槽中，持续预定的时间段；和
从多孔基质中移出目标分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述源材料包含仲氢。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔分子基质的平均凹槽尺寸为1-20nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔分子基质具有尺寸明显不同的凹槽，第一组凹槽用于储存源材料，第二组凹槽——其比第一组的凹槽大——用作将源材料和目标分子容纳在一起的腔室，与此同时将超极化从源材料转移至目标分子。
5.根据权利要求4所述的方法，其中第一组凹槽在任意方向上的平均直径为2-50nm，并且其中第二组凹槽的平均直径大于50nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述外部压力在所述预定的时间段内基本恒定。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述外部压力在高值和低值之间调节。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述外部压力以循环方式变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔基质包含D4R-聚硅氧烷共聚物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述多孔基质包含polyoligosiloxysilicone 2号(PSS-2)。
11.用于增强目标分子的核自旋极化的磁共振增强系统，其包含：
超极化的源材料；
多孔基质，将源材料与目标分子一起转移至所述多孔基质中；和
压力源，其提供外部压力，该外部压力迫使源材料和目标分子共限域于基质的凹槽中，持续预定的时间段，然后从所述多孔基质中移出目标分子。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述源材料包含仲氢。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述多孔分子基质的平均凹槽尺寸为1-20nm。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述多孔分子基质具有尺寸明显不同的凹槽，第一组凹槽用于储存源材料，第二组凹槽——其比第一组的凹槽大——用作将源材料和目标分子容纳在一起的腔室，与此同时将超极化从源材料转移至目标分子。
15.根据权利要求14所述的系统，其中第一组凹槽在任意方向上的平均直径为2-50nm，并且其中第二组凹槽的平均直径大于50nm。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述压力源在所述预定的时间段内施用基本恒定的压力。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述压力源在高值和低值之间调节所述外部压力。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述压力源以循环方式改变所述外部压力。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述多孔基质包含D4R-聚硅氧烷共聚物。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述多孔基质包含polyoligosiloxysilicone 2号(PSS-2)。
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