加工微小金刚石转子的新方法可以改善蛋白质的研究

研究人员最感兴趣的许多生物材料，包括那些与重大疾病相关的生物材料，都不适合研究人员通常用来探测材料结构和化学成分的传统方法。

一种被称为魔角旋转核磁共振(简称MAS-NMR)的技术已被证明是一种非常成功的测定复杂分子(如某些蛋白质)性质的方法。但是这种系统所能达到的分辨率取决于微小转子的旋转频率，而且这些系统已经突破了转子材料的限制。

目前使用的大多数此类设备都依赖于由氧化钇稳定的氧化锆制成的转子，这种转子薄如针。如果旋转速度超过每分钟几百万转，这种转子就会解体，从而限制了可以用这种系统研究的材料。但现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，可以用纯金刚石晶体制造这些微小而精确的转子，这种晶体的强度要大得多，可以使其以更高的频率旋转。这一进展为研究各种重要分子打开了大门，包括在与阿尔茨海默病相关的淀粉样斑块中发现的分子。

麻省理工学院的研究生Natalie Golota、Zachary Fredin、Daniel Banks和David Preiss在《磁共振杂志》上发表了一篇论文，描述了这种新方法;罗伯特·格里芬、尼尔·格申菲尔德和基思·尼尔森教授;以及麻省理工学院的其他七人。

Gershenfeld说，MAS-NMR技术“是在有生物学意义的环境中[分析]复杂生物蛋白质的首选工具。”例如，样品可以在液体环境中进行分析，而不是干燥或结晶或涂覆以进行检查。“只有(固态)核磁共振才能在周围的化学环境中做到这一点，”他说。

格里芬解释说，基本的方法已经存在了几十年，它包括将一个装满待研究材料的小圆柱体放入磁场中它可以悬浮起来，用气体喷射(通常是氮气)将其旋转到高频，然后用射频脉冲进行电击，以确定材料的关键特性。术语“魔角”指的是这样一个事实，即如果圆柱体将样品的自旋与外加磁场保持在一个精确的角度(54.74度)，谱线的各种增宽源被衰减，从而有可能获得更高分辨率的光谱。

但是，这些光谱的分辨率直接受到微小圆柱体或转子在破碎之前旋转速度的限制。多年来，早期的版本是由各种塑料制成的，后来使用陶瓷材料，最后使用锆，“这是目前大多数转子的选择材料，”格里芬说。

这种MAS-NMR系统广泛用于生物化学研究，作为研究包括蛋白质在内的材料的分子结构的工具，直到单个原子的水平，这些材料使用其他标准实验室方法很难或不可能探测到。这些不仅包括淀粉样原纤维，还包括膜蛋白和一些病毒集合。但是，在生物医学和材料科学中，一些最紧迫的挑战超出了今天的MAS-NMR系统的分辨率。

格里芬说:“随着我们的旋转频率提高到100千赫兹以上，”相当于每分钟600万转，“这些转子变得非常有问题。”它们大约有50%的时间会失效——你会丢失一个样本，并且会破坏核磁共振线圈。”该团队决定解决这个问题，当时许多人认为这是不可能的，用单晶钻石制造转子。

即使是制造他们使用的激光系统的公司也认为这是不可能的，一个跨学科的团队花了数年的时间来解决这个制造问题，包括麻省理工学院比特与原子中心和化学系的学生和研究人员。(这项合作源于格里芬和格申菲尔德在麻省理工学院的基利安奖委员会任职。)他们开发了一种基于激光的车床系统，可以在激光照射的同时快速旋转一块钻石，基本上蒸发了它的外层，直到留下一个完美光滑的圆柱体，直径只有0.7毫米(约1/36英寸)。然后，用同样的激光在圆柱体的中间钻一个完美的中心洞，留下一种吸管形状。

格申菲尔德说:“这种方法的效果并不明显，但激光可以将钻石变成石墨，并去除碳，你可以逐步这样做，钻到钻石的深处。”

钻石在加工过程中会有一层纯石墨的黑色涂层，但麻省理工学院的研究人员发现，通过在大约600°C(大约1100°f)的温度下加热转子过夜，可以消除这种涂层。结果是一个转子已经可以以每分钟600万转的速度旋转，这是最好的氧化锆转子的速度，并且还有其他有利的特性，包括极高的导热性和射频透明度。

弗雷丁指出，制造这个高精度加工系统所需的所有部件“都是在这里设计和制造的”，在比特和原子中心的地下室实验室里。“能够在内部设计和制作所有东西，并在一天内多次迭代，这是这个项目的一个关键方面，而不是把东西送到外面的机械车间。”

研究人员说，现在有了这些新的转子，实现更高的旋转频率应该是可能的，但这需要开发新的轴承和基于氦而不是氮的新系统来驱动旋转，以实现更快的速度和相应的分辨率飞跃。“在这项技术被证实之前，为这些小转子开发这些氦兼容轴承是不值得的，因为以前使用的转子无法承受旋转速度，”这可能最终达到每分钟2000万转，Golota说。

如此高的旋转速率在核磁共振领域之外几乎是闻所未闻的。普莱斯说，作为一名机械工程师，“你很少会遇到转速超过每分钟数万转的东西。”当他第一次听到这些设备600万转/分钟的数字时，他说，“我觉得这是个笑话。”

Gershenfeld说，由于如此高的速度，任何不完美都很容易导致不稳定:“在这些频率下，如果结构中有一点点不对称，你就完蛋了。”

戈洛塔说，在她的实验中，使用的是目前的氧化锆Nia转子，“当转子失效时，它们会爆炸，你基本上只是回收灰尘。但当钻石转子失灵时，我们能完好无损地恢复它们。所以，你也保存了样本，这对用户来说是一种宝贵的资源。”

他们已经使用新的金刚石转子产生了一个小肽的碳-13和氮-15光谱，清楚地展示了新的金刚石转子材料的能力，格里芬说这是过去三十年来开发的第一个用于此类转子的新材料。“我们已经广泛地使用了这样的光谱，”他说，“来确定淀粉样蛋白- β 1-42的结构，这是阿尔茨海默氏症的一种有毒物质。”

他说，这种材料的样品很难获得，而且通常只能获得很少的数量。他指着他们获得的样本数据说:“我们现在有一个小转子，希望它非常可靠，你可以在那里放入两到三毫克的材料，并获得像这样的光谱数据。”“这真的很令人兴奋，它将开辟许多新的研究领域。”

这项工作“真的很了不起”，David Doty说，他是核磁共振系统制造商Doty Scientific公司的总裁，他没有参与这项工作。他说:“在实际看到快速mas工作之前，很难找到这个团队之外的任何人认为可以用激光加工金刚石转子达到所需的精度。”

多蒂补充说:“他们迄今为止所展示的……简直令人惊叹。如果能够取得额外所需的进展，数百名核磁共振研究人员将希望这些数据帮助他们为他们正在进行的项目获得更好的数据，从提高我们对某些疾病的理解，开发更好的药物到开发先进的电池材料。”

“这项新技术有可能改变我们未来进行固态核磁共振实验的方式，在分辨率和灵敏度方面开辟前所未有的实验机会，”法国里昂高等师范学院分析科学研究所的副主任Anne Lesage说，她也没有参与这项工作。

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