封面展示了基于激光泵浦型原子傳感器的核磁共振（NMR）測量的基本原理。零場-超低場NMR可極大地提高NMR波譜分辨率，從而提供一種精細化的非侵入性的物質結構檢測新手段。利用激光泵浦極化原子氣室中的原子，同時利用激光對極化原子感知的待測樣品宏觀磁矩信息進行測量，實現了基于高靈敏度原子傳感器的高分辨零場-超低場NMR。通過結合樣品核自旋的超極化增強技術，可進一步提高零場-超低場NMR的波譜測量靈敏度，極大地擴展了NMR的應用范圍。

一、背景介紹

核磁共振（NMR）是在處于磁場中的非零自旋原子核受到外加射頻磁場微擾的情況下，當射頻頻率等于強磁場引起的能級塞曼分裂時，吸收該特定頻率電磁波而發生能級躍遷的物理現象。根據外加磁場幅值，可以將NMR分為高場（磁感應強度B>1 T）、低場（μT＜B＜1 T）和零場-超低場（B＜1 μT）。<b<1t）和零場-超低場（b<1<1t）和零場-超低場（b< p="" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;"> 作為一種非侵入性的檢測技術，當前用于醫學臨床診療的高場核磁共振成像（MRI）與用于化學分析的高場NMR波譜技術已經獲得了廣泛應用。然而，傳統高場NMR難以實現高的磁場均勻性，導致譜線展寬，無法獲取高分辨的波譜信息。

近年來，零場-超低場NMR獲得了快速發展。與傳統的高場NMR相比，零場-超低場NMR波譜儀易于實現高的磁場均勻性，可以極大地提高NMR波譜分辨率（目前已可達到mHz量級），從而提供了一種精細化的物質結構檢測新手段。此外，零場-超低場NMR可以實現對金屬容器和多孔介質中物質的探測，這在傳統高場NMR中是難以實現的，因此為一些特定領域（例如鋰電池檢測、石油勘探等）提供了新的研究工具。

隨著量子傳感技術的發展，超導量子干涉儀（SQUID）、激光泵浦型原子傳感器（LPAS）、金剛石中的氮-空位（NV）色心傳感器逐漸取代傳統法拉第感應線圈，成為零場-超低場NMR的探測方式，有效解決了低頻（＜kHz）區域電磁感應線圈對信號檢測靈敏度低的問題。出于對波譜儀高分辨率和高靈敏度、低制造成本、易于小型化的追求，零場-超低場NMR研究當前受到了越來越多的關注，本文闡述了基于LPAS的零場-超低場NMR的相關技術以及研究進展。

二、零場-超低場NMR原理及關鍵技術

典型的NMR檢測過程包括樣品極化、編碼和測量過程。傳統高場NMR通過高場下的熱極化（TP）過程獲得樣品的核自旋極化，核自旋極化度與磁場強度成正比，與溫度成反比；然后，以核自旋共振頻率的形式進行編碼，其本質上是原子核周圍電子的弱磁屏蔽導致原子核的實際共振頻率與孤立環境中的共振頻率產生差異。通常情況下，檢測與編碼是同時進行的，由法拉第感應線圈完成。

對于零場-超低場NMR，在測量區原位熱極化產生的磁化矢量強度比高場下產生的要低5個數量級以上。強磁場TP、動態核極化（DNP）、激光極化（LP）和仲氫誘導極化（PHIP）等極化增強技術的應用，極大地提高了零場-超低場 NMR 樣品的宏觀磁化矢量，拓寬了零場-超低場NMR的應用范圍。圖1為基于LPAS的NMR測量原理圖。

圖1 基于LPAS的NMR測量原理圖（ST：進樣裝置；MS：磁屏蔽；LPAS：激光泵浦型原子傳感器）

1、樣品核自旋極化增強

NMR中極化的主要目的是建立大的宏觀磁化矢量，以增強信號強度。零場-超低場NMR中常見的極化增強方法有強磁場TP、LP、DNP（包括溶解動態核極化（dDNP）等）、PHIP等。強磁場TP方法較為簡單，但該方法產生的極化度不高，而且樣品進樣過程會進一步導致樣品退極化。引入LP、DNP（dDNP）、PHIP等超極化方法，可以使待測樣品獲得更高的核自旋極化度。與強磁場TP方法相比，超極化增強方法可將待測樣品核自旋極化度提高幾個數量級，從而顯著提高樣品信號探測強度的檢測限。

2、樣品傳輸與編碼

在零場-超低場NMR測量時，LPAS需要工作在低于10 nT的均勻磁場環境中。為了滿足這一條件，通常需要將LPAS固定在磁屏蔽裝置內部的中心位置。這就涉及到樣品的傳送，需要將極化后的樣品運輸到LPAS的探頭位置實現測量。目前常見的進樣裝置主要有氣動進樣裝置和流動進樣裝置等。氣動進樣裝置可使極化增強的待測樣品以絕熱方式傳輸到LPAS測量區，或者使待測樣品多次在極化增強區與LPAS測量區之間傳輸，從而測量得到多次平均的NMR信號；流動進樣裝置通常用于液體或者氣體樣品，它可使極化增強的待測樣品流動進入LPAS的測量區。

通過脈沖線圈發射脈沖序列實現對樣品的編碼。在零場-超低場MRI中，樣品編碼是通過控制磁場梯度完成的。在零場-超低場NMR波譜中，編碼是通過分子內部自旋-自旋相互作用（例如J-耦合）完成的。

3、LPAS探測

LPAS是實現零場-超低場NMR、MRI的關鍵，其具有制造成本低、維護簡單和易于小型化的優勢。LPAS主要是通過非線性磁光效應實現對磁感應強度的測量，典型的LPAS主要分為無自旋交換弛豫（SERF）型和非線性磁光旋轉（NMOR）型。作為零場-超低場NMR譜儀的核心部件，LPAS具有進一步微小型化的潛力。

三、最新研究進展

（1）極化增強方法的應用

超極化技術的引入可將待測樣品的核自旋極化度相比熱極化方式提高幾個數量級，從而顯著提高樣品NMR檢測的靈敏度。2020年，德國美因茨亥姆霍茲研究所使用商用LPAS結合不同的超極化方法對多種化學物質進行了NMR波譜測量：結合PHIP技術實現了對馬來酸二甲酯的檢測，結合可逆交換信號放大（SABRE）技術實現了對吡啶樣品的檢測，結合高場TP技術實現了對甲酸和乙腈的檢測，如圖2所示。

圖2 商用LPAS測量的經SABRE極化的天然同位素豐度15N-吡啶的零場NMR波譜，內插圖為SABRE的反應過程示意圖（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 314: 106723）

（2）編碼控制與理論分析

零場-超低場NMR波譜中蘊含著豐富的信息，但對其進行一維波譜分析較為復雜，無法方便地獲取這些信息。零場-超低場NMR二維波譜技術可以通過編碼控制來實現，所得的二維波譜可以簡化一維波譜信號，使得波譜結構更為清晰，在很大程度上降低了波譜分析的難度。2020年，加州大學伯克利分校研究人員通過測量獲得了碳-13標記乙醇的零場-超低場NMR二維波譜，并發現零場-超低場NMR二維波譜在一維波譜分辨率的基礎上有所提升，如圖3所示。

圖3 1-13C乙醇ZF-TOCSY中高頻多重峰的詳細結構（源自Journal of Magnetic Resonance, 2020, 318: 106781）

（3）LPAS研究進展

近年來，研究人員嘗試通過不同的方法來提升LPAS的靈敏度等技術指標。2010年，普林斯頓大學Dang等實現了鉀原子SERF型LPAS，其靈敏度達到了0.16 fT/Hz1/2，這是現有靈敏度最高的LPAS。2018年，Quspin公司開發了第一代商用小型銣原子LPAS，探頭尺寸13×19×110 mm3，其靈敏度可以達到10 fT/Hz1/2。

表1 LPAS研究進展

（4）零場?超低場 MRI

自零場-超低場MRI方法和技術問世以來，國內外使用LPAS對零場-超低場MRI進行了研究。早期研究主要利用零場-超低場MRI對水流進行成像。近年來，人們通過磁通變換（FT）技術，將樣品與LPAS空間分隔開來進行遠程MRI探測，已實現對人體手部、大腦以及水模的成像。

四、總結與展望

零場-超低場由于高分辨率的優勢為發展高精度的NMR、MRI測量提供了新思路。進一步的研究重點是提升檢測限，以便能應用于低含量分子、生物大分子和同位素天然豐度樣品的測量。將LPAS與傳統使用法拉第感應線圈的方法相結合，可以在覆蓋高場、低場和零場-超低場的整個工作磁場范圍內實現NMR、MRI測量與研究。

通過引入LPAS探測方式，已實現零場-超低場NMR和MRI的原理驗證。進一步的研究重點將聚焦在零場-超低場NMR波譜分析、提高零場-超低場NMR波譜儀測量分辨率、零場-超低場NMR波譜儀小型化等方面。零場-超低場NMR波譜分析需要結合被測樣品的物理化學信息，通過控制編碼脈沖等方式進行詳細分析。提高譜儀測量分辨率可以通過超極化方式與提高LPAS靈敏度來實現。零場-超低場NMR波譜儀小型化的核心就是LPAS的微小型化，現有的LPAS尺寸可達厘米級別，隨著新材料的開發與加工技術的不斷進步，LPAS具有進一步微小型化的潛力。

參考文獻： 中國光學期刊網

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