报告小结 | 生物和材料界面的多尺度核磁共振测量方法——总结版4

上海交通大学转化医学研究院兼聘浙江大学孔学谦教授应邀清华大学分析中心高级工程师杨海军于理科楼作报告，报告题目为《生物与材料界面的多尺度核磁共振测量方法》。

孔学谦教授从目前界面的结构机理和测量挑战角度出发，分别对其所含有的科学问题以及所需要的技术能力进行展开描述。

目前核磁共振面临的界面测量问题主要分为两个方面。一是核磁信息挖掘和解读难题，包括材料结构无序所引发信号重叠，辨认难度高、微纳尺度成像困难以及跨界面动力学机制不明；二是测量技术和方法挑战大，其中包含信号灵敏度低，缺少多物种特征以及难以捕捉瞬时变化。针对以上问题，孔学谦教授从核磁共振基础原理出发，解释了引发核磁信号的诸多因素，以及针对诸多作用如何逐级拆分提出了自己的见解。同时孔老师针对上述基础理论主要介绍了四个自己以往的主要工作。

孔学谦教授探讨了固体电解质界面（SEI）在决定钠金属电池（SMB）寿命方面的关键作用，尤其关注二氟（草酸）硼酸钠产生的 SEI。充放电过程中SEI 演变的复杂性给了解其化学和结构带来了挑战。这项研究采用了多种分析技术来揭示 NaDFOB 衍生的 SEI 所提供的保护作用的内在机制。

孔学谦教授利用原位核磁共振（NMR）技术揭示了 DFOB 阴离子的还原在 SEI 的形成中起着重要作用，有助于抑制碳酸盐溶剂的分解。深度剖析 X 射线光电子能谱和高分辨率固态核磁共振进一步阐明了 DFOB 阴离子在循环过程中逐渐转变为富含硼酸盐和氟化物的 SEI 的过程。值得注意的是， NaDFOB 衍生的 SEI 的保护效果在循环 50 次时达到最佳，从而显著延长了 SMB 的使用寿命。

这项工作为 SEI 工程提供了宝贵的见解和指导，揭示了 SEI 形成和演变的复杂过程。原位核磁共振和深度剖析光谱等先进分析技术的整合，有助于全面了解 SEI 化学与电池性能之间复杂的相互作用。总之，这项研究为不断增长的知识库做出了贡献，这些知识库旨在通过有针对性的 SEI 工程策略提高钠金属电池的可靠性和寿命。

第二个研究工作是孔学谦教授为了揭示具有半晶格的缺陷 MOFs 中尺度结构的复杂性，本研究采用了先进的核磁共振技术，阐明工程缺陷如何利用有序和无序区块的组合来微调晶格的柔性程度，发现相关缺陷的一维排列是诱导可逆拓扑转变的关键机制。而正在研究的缺陷 MOF 展示了一种独特的基质，其特点是既有纳米多孔性的刚性框架，又有高膨胀性的柔性连接。这种结构上的双重性突显了通过工程缺陷可以实现的多功能性和可调性，为定制材料特性提供了一种新方法。这项研究的发现不仅有助于人们了解 MOFs，还强调了缺陷工程的重要性，它是在介观尺度上控制材料行为的有力工具。

总之，这项研究展示了先进的核磁共振在阐明有缺陷的 MOFs 复杂结构方面的变革性影响。研究强调了工程缺陷在调节晶格灵活性方面的作用，并突出了一维排列在促进可逆拓扑转变方面的重要意义。

第三个工作是孔学谦教授针对核磁成像分辨率低问题提出了自己的解决方案。常规临床核磁成像场强比较低，处于1-3T，分辨率为毫米级，对于微米级成像还是难以实现，不适用于组织界面的直接观察研究。对于此问题，孔学谦教授发展强场显微成像以及配合特殊成像序列技术，可以将仪器分辨率提升至微米级，相较于常规仪器提高10-100倍。并且将此技术应用于羊腿皮质骨的显微成像，原本常规核磁成像对于羊腿皮质骨是无明显信号。

孔学谦教授强调了钠离子在生物细胞中的重要性以及细胞内外环境之间保持的微妙平衡。而²³Na 核磁共振 (NMR) 作为一种有效的非侵入性无损技术，可以有效地深入了解钠离子在生物系统中的局部环境和动态。目前在生物系统中解读 ²³Na NMR 信号存在着巨大挑战。由于四极核复杂的弛豫行为，尤其是在中间运动机制中，再加上细胞环境中的异质区室和多种分子相互作用，使得对生物系统中 ²³Na NMR 信号的理解仍处于早期阶段。

孔学谦教授此项工作侧重于描述钠离子在各种环境中的弛豫和扩散特性，包括蛋白质和多糖溶液以及活细胞的体外样本。采用多指数方法来解读分析错综复杂的²³Na横向弛豫行为，旨在提取与溶液中离子动力学和分子结合有关的重要信息。同时应用了一种结合横向弛豫和扩散测量的双室模型。该方法证实研究结果，并量化细胞内和细胞外钠的比例。

最后，孔教授对于核磁共振在生物材料多尺度观测方面做出了展望以及未来可行的方案。主要体现在一是界面信号灵敏度低，可以通过发展超极化方法增强界面信号，可测量¹⁷O，¹⁵N天然丰度低的核信号；二是图像信息维度单一，目前常规成像是基于¹H，而其他自旋核成像并未有较多发展，因此，发展多核磁共振是目前的趋势；三是时间与动态感知有限，毫秒级动态信息难以捕捉，以及时间与空间信息不匹配，可以发展快速时间分辨序列以及时空感知与空间成像同步。