600萬轉(zhuǎn)/分鐘！麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)出微小的金剛石轉(zhuǎn)子

一種利用金剛石晶體加工微尺度轉(zhuǎn)子的新方法可以使超靈敏的核磁共振裝置用于探測(cè)蛋白質(zhì)和其他材料。

一種稱為魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振 (MAS-NMR) 的技術(shù)已被證明是一種非常成功的測(cè)定復(fù)雜分子（例如某些蛋白質(zhì)）性質(zhì)的方法。但此類系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的分辨率取決于微型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率，并且這些系統(tǒng)已經(jīng)突破了轉(zhuǎn)子材料施加的限制。

目前使用的大多數(shù)此類設(shè)備都依賴于由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯制成的轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子薄如針尖，如果旋轉(zhuǎn)速度超過每分鐘幾百萬轉(zhuǎn)就會(huì)解體，從而限制了可以用這種系統(tǒng)研究的材料。但是現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種方法，可以用純金剛石晶體制造這些微小而*的轉(zhuǎn)子，它們的強(qiáng)度可以使其以更高的頻率旋轉(zhuǎn)。這一進(jìn)展為研究各種重要分子打開了大門，包括在與阿爾茨海默癥相關(guān)的淀粉樣斑塊中發(fā)現(xiàn)的分子。

麻省理工學(xué)院的Robert Griffin、Neil Gershenfeld 和 Keith Nelson教授、研究生 Natalie Golota、Zachary Fredin、Daniel Banks 和 David Preiss以及其他七人在《Magnetic Resonance》雜志上發(fā)表的論文中描述了這種新方法。

Gershenfeld 說，MAS-NMR 技術(shù)“是在具有生物學(xué)意義的環(huán)境中分析復(fù)雜生物蛋白質(zhì)的*工具。”例如，樣品可以在液體環(huán)境中進(jìn)行分析，而不是為了檢查而去干燥、結(jié)晶或涂覆�！爸挥� [固態(tài)] NMR 才能在周圍的化學(xué)環(huán)境中做到這一點(diǎn)�！�

Griffin解釋說，基本的方法已經(jīng)存在了幾十年，包括將一個(gè)裝滿待研究材料的小圓柱體放入磁場中，在磁場中可以使用氣體噴射（通常是氮?dú)猓�將其懸浮并旋轉(zhuǎn)至高頻，然后用射頻脈沖進(jìn)行沖擊，以確定材料的關(guān)鍵特性�！澳Ы恰敝傅氖�，如果包含樣品的圓柱體相對(duì)于外加磁場以一個(gè)*的角度（54.74 度）旋轉(zhuǎn)，譜線的各種增寬源就會(huì)被衰減，從而有可能獲得更高分辨率的光譜。

這張圖展示了用一塊金剛石制作空心圓柱體的過程。當(dāng)激光束燒掉金剛石外層和內(nèi)部時(shí)，它會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

但是這些光譜的分辨率直接受到微小圓柱體或轉(zhuǎn)子在破碎前旋轉(zhuǎn)速度的限制。多年來，早期版本由各種塑料制成，后來使用陶瓷材料，*后是鋯，“這是目前大多數(shù)轉(zhuǎn)子制造的*材料，”Griffin說。

這種 MAS-NMR 系統(tǒng)廣泛用于生物化學(xué)研究，作為研究包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的材料的分子結(jié)構(gòu)的工具，直到單個(gè)原子的水平，這些材料使用其他標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室方法很難或不可能探測(cè)到。這些不僅包括淀粉樣原纖維，還包括膜蛋白和一些病毒集合。但是，在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中，一些*緊迫的挑戰(zhàn)超出了今天的MAS-NMR系統(tǒng)的分辨率。

Griffin說：“隨著我們的旋轉(zhuǎn)頻率提高到 100 千赫茲以上，”相當(dāng)于每分鐘 600 萬轉(zhuǎn)，“這些轉(zhuǎn)子變得非常有問題。它們大約有50%的失敗率——你會(huì)丟失一個(gè)樣本，它會(huì)破壞核磁共振線圈�！痹搱F(tuán)隊(duì)決定用單晶金剛石制造轉(zhuǎn)子以解決這個(gè)問題，當(dāng)時(shí)許多人認(rèn)為這個(gè)方法不可能實(shí)現(xiàn)。

甚至制造他們使用的激光系統(tǒng)的公司也認(rèn)為不可能，這個(gè)激光系統(tǒng)由一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，包括麻省理工學(xué)院比特與原子中心和化學(xué)系的學(xué)生和研究人員，花了數(shù)年時(shí)間才解決。他們開發(fā)了一種基于激光的車床系統(tǒng)，可以在激光照射的同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)一塊金剛石，基本上蒸發(fā)其外層，直到留下一個(gè)*光滑的直徑僅為 0.7 毫米的圓柱體。然后，用同樣的激光在圓柱體的中間鉆一個(gè)洞，成一種類似吸管的樣式。

Gershenfeld 說：“這種方法的效果并不明顯，但激光可以將金剛石變成石墨并去除碳，可以慢慢做，鉆到金剛石深處�！�

金剛石在加工過程中會(huì)有一層純石墨的黑色涂層，但麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，可以通過將轉(zhuǎn)子加熱到大約 600 攝氏度過夜來消除這種情況。結(jié)果是轉(zhuǎn)子已經(jīng)可以以每分鐘 600 萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，這是*好的氧化鋯轉(zhuǎn)子的速度，并且還具有其他優(yōu)勢(shì)特性，包括極高的導(dǎo)熱性和射頻透明度。

Fredin 指出，制造這個(gè)高精度加工系統(tǒng)所需的所有零件“都是在這里設(shè)計(jì)和制造的”，在比特和原子中心的地下室實(shí)驗(yàn)室里�！澳軌蛟趦�(nèi)部設(shè)計(jì)和制造所有東西并在一天內(nèi)多次迭代是這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)重要方面，而不是把東西送到外面的機(jī)械車間。”

研究人員說，這些新轉(zhuǎn)子現(xiàn)在應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)更高的旋轉(zhuǎn)頻率，但需要開發(fā)新的軸承和基于氦氣的新系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)更高的速度和相應(yīng)分辨率的飛躍�！霸谶@項(xiàng)技術(shù)得到證實(shí)之前，為這些小型轉(zhuǎn)子開發(fā)這些兼容氦氣的軸承是不值得的，因?yàn)橹�前使用的轉(zhuǎn)子無法承受*終可能高達(dá) 2000 萬每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)�！盙olota 說。

如此高的旋轉(zhuǎn)速率在核磁共振領(lǐng)域之外幾乎聞所未聞。Preiss 說，“作為一名機(jī)械工程師，你很少會(huì)遇到超過每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的東西�！碑�(dāng)他*次聽到這些設(shè)備600萬轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，他說，“我覺得這是個(gè)笑話。”

Gershenfeld 說，在這種高速下，任何缺陷都容易引起不穩(wěn)定性：“哪怕結(jié)構(gòu)中有一點(diǎn)點(diǎn)不對(duì)稱，在這種頻率下，*會(huì)完蛋�！�

Golota 說，在她使用目前的氧化鋯轉(zhuǎn)子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，“當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時(shí)，它們會(huì)爆炸，而你基本上只能回收灰塵。但當(dāng)金剛石轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障時(shí)，我們能完好無損地恢復(fù)它們。所以也保存了樣本，對(duì)用戶來說可能是寶貴的資源�！�

他們已經(jīng)使用新的金剛石轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了一個(gè)小肽的碳-13和氮-15光譜，清楚地展示了新金剛石轉(zhuǎn)子材料的能力，Griffin說這是過去三十年來開發(fā)的*個(gè)用于此類轉(zhuǎn)子的新材料。“我們已經(jīng)廣泛使用了這樣的光譜，以確定淀粉樣蛋白- β 1-42的結(jié)構(gòu)，這是阿爾茨海默氏癥中的一種有毒物質(zhì)。這種材料的樣品很難獲得，而且通常數(shù)量很少。我們現(xiàn)在有一個(gè)小轉(zhuǎn)子，希望它非�？煽浚�你可以放入兩到三毫克的材料并獲得像這樣的光譜數(shù)據(jù)，”他指著獲得的樣本數(shù)據(jù)說�！斑@真的很令人興奮，它將開辟許多新的研究領(lǐng)域。”

核磁共振系統(tǒng)制造商Doty Scientific的總裁David Doty說，這項(xiàng)工作“真的很了不起。在實(shí)際看到fast-MAS工作之前，很難找到這個(gè)團(tuán)隊(duì)之外的任何人認(rèn)為可以用激光加工金剛石轉(zhuǎn)子達(dá)到所需的精度。”

Doty 補(bǔ)充道，“他們迄今為止所展示的內(nèi)容簡直令人驚嘆。如果能夠取得額外的進(jìn)展，數(shù)百名核磁共振研究人員將希望這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)樗麄冋�在進(jìn)行的項(xiàng)目獲得更好的數(shù)據(jù)，從提高我們對(duì)某些疾病的理解，開發(fā)更好的藥物，到開發(fā)先進(jìn)的電池材料�！�

“這項(xiàng)新技術(shù)有可能改變我們未來進(jìn)行固態(tài)核磁共振實(shí)驗(yàn)的方式，在分辨率和靈敏度方面開啟*的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，”法國里昂高等師范學(xué)院的分析科學(xué)研究所副主任Anne Lesage說。

研究團(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院的 Salima Bahri、Daniel Banks、Prashant Patil、William Langford、Camron Blackburn、Erik Strand、Brian Michael 和 Blake Dastrup。這項(xiàng)工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院、CBA聯(lián)盟基金、美國能源部和美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持。