600萬轉/分鐘！麻省理工學院研究人員開發出微小的金剛石轉子

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

一種稱為魔角旋轉核磁共振 (MAS-NMR) 的技術已被證明是一種非常成功的測定復雜分子（例如某些蛋白質）性質的方法。但此類系統可實現的分辨率取決于微型轉子的旋轉頻率，并且這些系統已經突破了轉子材料施加的限制。

目前使用的大多數此類設備都依賴于由氧化釔穩定的氧化鋯制成的轉子，這種轉子薄如針尖，如果旋轉速度超過每分鐘幾百萬轉就會解體，從而限制了可以用這種系統研究的材料。但是現在，麻省理工學院的研究人員已經開發出了一種方法，可以用純金剛石晶體制造這些微小而*的轉子，它們的強度可以使其以更高的頻率旋轉。這一進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的淀粉樣斑塊中發現的分子。

麻省理工學院的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》雜志上發表的論文中描述了這種新方法。

Gershenfeld 說，MAS-NMR 技術“是在具有生物學意義的環境中分析復雜生物蛋白質的*工具。”例如，樣品可以在液體環境中進行分析，而不是為了檢查而去干燥、結晶或涂覆。“只有 [固態] NMR 才能在周圍的化學環境中做到這一點。”

Griffin解釋說，基本的方法已經存在了幾十年，包括將一個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（通常是氮氣）將其懸浮并旋轉至高頻，然后用射頻脈沖進行沖擊，以確定材料的關鍵特性。“魔角”指的是，如果包含樣品的圓柱體相對于外加磁場以一個*的角度（54.74 度）旋轉，譜線的各種增寬源就會被衰減，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。當激光束燒掉金剛石外層和內部時，它會發生旋轉。

但是這些光譜的分辨率直接受到微小圓柱體或轉子在破碎前旋轉速度的限制。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，“這是目前大多數轉子制造的*材料，”Griffin說。

這種 MAS-NMR 系統廣泛用于生物化學研究，作為研究包括蛋白質在內的材料的分子結構的工具，直到單個原子的水平，這些材料使用其他標準實驗室方法很難或不可能探測到。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，在生物醫學和材料科學中，一些*緊迫的挑戰超出了今天的MAS-NMR系統的分辨率。

Griffin說：“隨著我們的旋轉頻率提高到 100 千赫茲以上，”相當于每分鐘 600 萬轉，“這些轉子變得非常有問題。它們大約有50%的失敗率——你會丟失一個樣本，它會破壞核磁共振線圈。”該團隊決定用單晶金剛石制造轉子以解決這個問題，當時許多人認為這個方法不可能實現。

甚至制造他們使用的激光系統的公司也認為不可能，這個激光系統由一個跨學科的團隊，包括麻省理工學院比特與原子中心和化學系的學生和研究人員，花了數年時間才解決。他們開發了一種基于激光的車床系統，可以在激光照射的同時快速旋轉一塊金剛石，基本上蒸發其外層，直到留下一個*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有一層純石墨的黑色涂層，但麻省理工學院的研究人員發現，可以通過將轉子加熱到大約 600 攝氏度過夜來消除這種情況。結果是轉子已經可以以每分鐘 600 萬轉的速度旋轉，這是*好的氧化鋯轉子的速度，并且還具有其他優勢特性，包括極高的導熱性和射頻透明度。

Fredin 指出，制造這個高精度加工系統所需的所有零件“都是在這里設計和制造的”，在比特和原子中心的地下室實驗室里。“能夠在內部設計和制造所有東西并在一天內多次迭代是這個項目的一個重要方面，而不是把東西送到外面的機械車間。”

研究人員說，這些新轉子現在應該可以實現更高的旋轉頻率，但需要開發新的軸承和基于氦氣的新系統來驅動旋轉，以實現更高的速度和相應分辨率的飛躍。“在這項技術得到證實之前，為這些小型轉子開發這些兼容氦氣的軸承是不值得的，因為之前使用的轉子無法承受*終可能高達 2000 萬每分鐘轉數。”Golota 說。

如此高的旋轉速率在核磁共振領域之外幾乎聞所未聞。Preiss 說，“作為一名機械工程師，你很少會遇到超過每分鐘數萬轉的東西。”當他*次聽到這些設備600萬轉/分鐘時，他說，“我覺得這是個笑話。”

Gershenfeld 說，在這種高速下，任何缺陷都容易引起不穩定性：“哪怕結構中有一點點不對稱，在這種頻率下，*會完蛋。”

Golota 說，在她使用目前的氧化鋯轉子進行的實驗中，“當轉子發生故障時，它們會爆炸，而你基本上只能回收灰塵。但當金剛石轉子出現故障時，我們能完好無損地恢復它們。所以也保存了樣本，對用戶來說可能是寶貴的資源。”

他們已經使用新的金剛石轉子產生了一個小肽的碳-13和氮-15光譜，清楚地展示了新金剛石轉子材料的能力，Griffin說這是過去三十年來開發的*個用于此類轉子的新材料。“我們已經廣泛使用了這樣的光譜，以確定淀粉樣蛋白- β 1-42的結構，這是阿爾茨海默氏癥中的一種有毒物質。這種材料的樣品很難獲得，而且通常數量很少。我們現在有一個小轉子，希望它非常可靠，你可以放入兩到三毫克的材料并獲得像這樣的光譜數據，”他指著獲得的樣本數據說。“這真的很令人興奮，它將開辟許多新的研究領域。”

核磁共振系統制造商Doty Scientific的總裁David Doty說，這項工作“真的很了不起。在實際看到fast-MAS工作之前，很難找到這個團隊之外的任何人認為可以用激光加工金剛石轉子達到所需的精度。”

Doty 補充道，“他們迄今為止所展示的內容簡直令人驚嘆。如果能夠取得額外的進展，數百名核磁共振研究人員將希望這些數據能夠為他們正在進行的項目獲得更好的數據，從提高我們對某些疾病的理解，開發更好的藥物，到開發先進的電池材料。”

“這項新技術有可能改變我們未來進行固態核磁共振實驗的方式，在分辨率和靈敏度方面開啟*的實驗機會，”法國里昂高等師范學院的分析科學研究所副主任Anne Lesage說。

研究團隊還包括麻省理工學院的 Salima Bahri、Daniel Banks、Prashant Patil、William Langford、Camron Blackburn、Erik Strand、Brian Michael 和 Blake Dastrup。這項工作得到了美國國立衛生研究院、CBA聯盟基金、美國能源部和美國國家科學基金會的支持。