Bridging DNP and MAS NMR dipolar recoupling -- from static single crystal to spinning powders
本文提出一种基于简单形式体系的方法，证明单晶静态样品优化可简化旋转粉末实验设计，且脉冲序列可在不同波谱学间互换，并据此设计了基于 PLATO 的超宽带异核固态 NMR MAS 偶极重耦合与交叉极化实验。
2025-01-30 physics.chem-ph
A Unified Description for Polarization-Transfer Mechanisms in Magnetic Resonance in Static Solids: Cross Polarization and DNP
极化转移是磁共振实验中的关键构件，即，它们可用于在多维NMR光谱学中识别不敏感核并关联核自旋。极化可以跨不同的核自旋种类或从电子自旋转移到相对低极化的核自旋。固态NMR（ssNMR）中出现的前一种途径可以通过交叉极化（CP）进行，而后一种途径被称为动态核极化（DNP）。尽管有不同的操作条件，我们认为这两种机制在理想条件下理论上是相似的过程，即，电子仅仅是另一个自旋为1/2的粒子，具有高得多的旋磁比。在这里，我们表明，CP和DNP过程可以使用一个统一的理论，平均哈密顿理论（AHT）结合虚构的运营商。直观和统一的方法允许对交叉效应（CE）DNP机制的新见解，从而更好地设计DNP极化剂，并将应用扩展到超极化之外。我们探讨了利用理论预测的DNP瞬态的电子-核距离测量的可能性-像常规偶极耦合实验在固态NMR。
2022-03-21 physics.chem-ph
Steady state effects introduced by local relaxation modes on J-driven DNP-enhanced NMR
本文重新审视了J驱动动态核极化（JDNP）提案，引入局部振动模式弛豫和核Larmor频率量级耦合双自由基等新条件，发现三重态-单重态交叉弛豫可使核极化增强在稳态下持续存在。
2023-08-04 physics.chem-ph
Metal Ions based Dynamic Nuclear Polarization: MI-DNP
本文综述MI-DNP，阐述利用顺磁性金属中心作为内源性极化剂的EPR/NMR表征、DNP机制及其相对有机自由基方法的材料科学应用价值。
2025-02-15 physics.chem-ph
Simultaneous Acquisition of Multi-nuclei Enhanced NMR/MRI by Solution State Dynamic Nuclear Polarization
动态核极化（DNP）技术可以显著提高分子核磁共振（NMR）的灵敏度，已成为一种非常重要的超极化方法。基于Overhauser效应的液态DNP能够直接增强系统中各种核的极化。同时Overhauser多核增强与多核并行采集的组合在MR波谱（MRS）和图像（MRI）两者中提供了各种重要应用。在这里，我们提出了两个简单的说明性的同时增强多核光谱和图像的例子来证明的原则和优越性。我们观察到了不同核的同时DNP增强，如~ 1H和~（23）Na，~ 1H和~（31）P，~（19）F和~（31）P，特别是首次报道了钠离子在液体中的同时DNP增强。我们还首次获得了19 H和31 P在低场下的溶液态DNP同时成像。这种方法可以从一次测量中获得相当互补的各种生物分子的结构确定信息。它还可以与快速采集方案和定量分析结合使用，减少扫描时间。
2015-11-23 physics.chem-ph
Characterization of Strongly Hyperfine-split Protons by DNP
本研究通过反向DNP和带选择性倒转脉冲，揭示了强超精细分裂质子的自旋扩散机制及电子-电子自旋扩散过程。
2026-01-09 physics.chem-ph
Surface Sensitive NMR Detection of the SEI Layer on Reduced Graphene Oxide
固体电解质界面（SEI）对可再充电电池的性能和寿命是有害的。了解它的形成需要提供分子水平洞察力的分析技术。在这里，动态核极化（DNP）是第一次用于提高灵敏度的固态NMR（ssNMR）光谱的SEI。该方法在天然丰度和富含13 C的电解质溶剂中的锂离子电池中循环的还原氧化石墨烯（rGO）上得到证明。我们的研究结果表明，DNP增强了外部SEI层的信号，使得能够在合理的时间范围内从SEI的该组分中检测天然丰度13 C光谱。此外，在100K下的13C富集的电解质测量提供了足够的灵敏度，而没有DNP，这是由于大量的SEI填充rGO孔，从而允许区分内部和外部SEI层组成。进一步开发这种方法将有利于许多电极材料的研究，使ssNMR具有有效探测SEI所需的灵敏度。
2018-05-08 physics.chem-ph
Cryogenic field-cycling instrument for optical NMR hyperpolarization studies
针对光学DNP研究需求，本文提出一种低温场循环仪器，支持宽范围磁场与温度下长期运行及数百万RF脉冲操控，并在金刚石13C核自旋模型中验证了其有效性。
2024-12-21 physics.chem-ph physics.ins-det quant-ph
In situ Learning-Based Spin Engineering of Pulsed Dynamic Nuclear Polarization
Aarhus University（奥胡斯大学）；University of Stuttgart（斯图加特大学）；Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg（海德堡大学）
本文提出利用贝叶斯机器学习和约束随机游走方法，原位设计高效宽带DNP脉冲序列，提升核磁共振和磁共振成像的灵敏度。
2026-03-19 physics.chem-ph quant-ph
Dynamic Nuclear Polarization in Battery Materials
本文综述了动态核极化（DNP）如何突破固态NMR灵敏度限制，实现电池材料界面与体相检测，并展望其在环境条件下高灵敏、选择性表征的发展方向。
2023-07-07 physics.chem-ph
Room temperature "Optical Nanodiamond Hyperpolarizer": physics, design and operation
动态核极化（DNP）是一套功能强大的技术，可在NMR和MRI中提供多重信号增强。所产生的非热自旋态也可以用于量子传感和作为探针的多体物理。典型的DNP方法需要使用冷冻剂、大磁场和高功率微波，这些都是昂贵且笨重的。富含氮空位（NV）中心的纳米金刚石颗粒作为替代DNP试剂已经引起关注，因为它们可以在室温下潜在地光学超极化。事实上，实现微型“光学纳米金刚石超偏振器”，其中13 C核被光学超偏振一直是一个长期的目标，但在技术上具有挑战性。在这里，揭示了在[Ajoy等人，sci. Adv. 4，eaar5492（2018）]，我们报告了这种器件在超紧凑的占地面积中的实现，并且在室温下完全工作。仪器的要求是非常温和的：低偏振场，极低的光学和微波辐射功率，以及方便的频率范围，使设备小型化。我们得到最好的报告光学13 C超极化的金刚石颗粒超过720倍的热7T值（0.86%体极化），对应于一千万倍的NMR平均时间增益。此外，超极化信号可以被背景抑制超过两个数量级，并保持多分钟长的时间。除了在量子传感和亮对比度MRI成像中的引人注目的应用外，这项工作还为低成本DNP平台铺平了道路，该平台将13 C极化传递到与高表面积颗粒接触的液体。这将最终允许开发用于化学分析的微型“量子辅助”NMR光谱仪。
2018-11-26 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
High-field solution state DNP using cross-correlations
在普通NMR仪器的磁场下，电子塞曼频率太高，以至于在溶液中不能发生有效的电子-核偶极交叉弛豫。该过程的速率随着电子塞曼频率衰减为ω ^{-2} -在没有各向同性超精细耦合的情况下，因此在高场磁体中的液态动态核极化（DNP）是不切实际的。然而，接触耦合和偶极交叉弛豫不是唯一的机制，可以移动电子磁化到液体中的核：多个互相关（CC）弛豫过程也存在，涉及相互作用张量各向异性的各种组合。其中一些过程的速率具有比偶极交叉弛豫更有利的高场行为，但由于它们的数值-特别是分析-处理的困难，它们在很大程度上仍然是未知的。在这篇文章中，我们报告了1 e1 n和2 e1 n自旋系统在液态下每个旋转驱动弛豫过程的分析评估，以及稳态DNP相对于自旋哈密顿参数的数值优化。一个以前未报道的交叉相关DNP（CCDNP）机制被确定为2 e1 n系统，涉及多重弛豫干扰效应和电子间交换耦合。使用模拟，我们发现现实的自旋哈密顿参数，产生更强的核极化在高磁场比偶极交叉松弛。
2020-10-25 physics.chem-ph quant-ph
Probing Functionalities and Acidity of Calcined Phenylene-Bridged Periodic Mesoporous Organosilicates Using Dynamic Nuclear Polarization NMR, Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy, and X-ray Photoelectron Spectroscopy
周期性介孔有机硅（PMO）材料具有高比表面积、高稳定性和疏水性，是环境友好型水化学反应的理想催化载体。我们在这里研究如何煅烧PMO材料与苯连接（PMOB）允许其功能化。常规和动态核极化（DNP）增强NMR光谱、漫反射红外傅里叶变换光谱和X射线光电子能谱学证明，在450 °C下煅烧导致亚苯基桥氧化成（聚）酚，但也氧化成羧酸。还观察到酮、醛以及烯丙基和脂肪醇官能团，但它们的量远低于羧酸。煅烧还裂解Si-C键。然而，N2吸附脱附测量、粉末X射线衍射和透射电子显微镜表明，煅烧至600 °C的PMOB材料仍然表现出有序的中孔。我们表明，在450 °C下煅烧的PMOB的酚和羧酸官能团在室温下使1-（3-氨丙基）咪唑（API）在水中的NH 2基团质子化，但没有检测到API和煅烧的PMOB官能团之间形成共价键。
2020-07-20 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Enhanced dynamic nuclear polarization via swept microwave frequency combs
动态核极化（DNP）使磁共振信号的巨大增益成为可能，并大大加速了NMR/MRI成像和光谱学。与传统的连续波技术不同，利用全电子光谱的DNP方法很有吸引力，因为它们允许所有电子直接参与超极化过程。这种方法通常需要在宽电子线宽上扫描微波辐射以激发DNP，但通常效率低下，因为受绝热性要求约束的扫描很慢。在本文中，我们开发了一种技术，以克服DNP瓶颈设置的慢扫描，采用扫频微波频率梳，增加了有效的极化转移事件的数量，同时尊重绝热约束。这允许DNP增强中的乘法增益，与梳频率的数量成比例，并且仅受超精细介导的电子线宽的限制。我们展示了在低场粉末微金刚石中13 C核的光学超极化技术，相对于在7 T下测量的热信号，DNP增强从30增加到100。对于低浓度的宽线宽电子自由基，例如TEMPO，这些倍增增益可以超过一个数量级。
2018-07-19 physics.app-ph physics.atom-ph physics.chem-ph
LED-based photo-CIDNP hyperpolarization enables 19F MR imaging and 19F NMR spectroscopy of 3-fluoro-DL-tyrosine at 0.6 T
虽然19 F具有在生物成像中用作无背景分子标记的高潜力，但是标记物质的摩尔量通常太小而不能实现具有足够高的信噪比（SNR）的19 F MR成像或19 F NMR光谱。超极化方法如基于仲氢的超极化或动态核极化（DNP）可以显著提高SNR，但需要昂贵且复杂的样品制备以及去除有毒催化剂和溶剂。因此，我们使用氟化氨基酸3-氟-DL-酪氨酸与核黄素5 '-单磷酸（FMN）的生物相容性模型作为溶解在具有3.4%H2Odest的D2 O中的发色团。允许通过光化学诱导的动态核极化（photo-CIDNP）将光能转化为19 F核的超极化。我们使用低成本的高功率蓝色LED来照亮样品，取代传统上使用的激光激发，这是潜在的有害和昂贵的。首次，我们提出了超极化19 F MRI和19 F NMR的结果进行了低成本的0.6 T台式MRI系统。该装置允许同时进行双通道1H/19 F NMR。19 F成像以（0.94 mm）2平面内分辨率进行。这使得能够在样品内实现不同程度的超偏振的空间分辨率。我们估计在0.6 T下基于光CIDNP的19 F信号增强约为465。FMN即使在多次激发后也不会漂白，因此可以通过对超极化信号进行平均来进一步提高信噪比。结果表明，易于使用的实验装置具有很高的潜力，作为一个有效的临床前工具，在生物成像超极化研究。
2022-04-13 physics.chem-ph
Biomolecular NMR at 1.2 GHz
在非常强的磁场下保持超导性的新型超导陶瓷材料的发展已经促进了新一代高度均匀的高场磁体的发展，该高场磁体已经超越了上一代仪器可获得的磁场。但是生物分子NMR如何从中受益呢？在这项工作中，我们回顾了一些值得注意的应用程序，我们预计，将由于这种新的可用技术而蓬勃发展。
2019-10-16 physics.bio-ph physics.chem-ph
High-Field Magnetometry with Hyperpolarized Nuclear Spins
量子传感器在亚微米尺度NMR光谱学的研究中引起了广泛的兴趣。这种传感器主要在低磁场下工作。然而，相反，对于高分辨率光谱学，高场区自然是有利的，因为它允许高的绝对化学位移辨别。在这里，我们提出并证明了一个高场自旋磁力计构造从超极化${}^{13}C$核自旋金刚石的合奏。${}^{13}C$核通过氮空位（NV）中心初始化，并沿横向布洛赫球轴保护数分钟长的时间。当暴露在时变（AC）磁场中时，它们会经历带有频率和振幅印记的二次进动。该方法利用长旋转框架${}^{13}C$传感器寿命$T_2^{\prime}{>}$ 20 s，以及它们被连续询问的能力。对于7 T和单晶样本的量子传感，我们证明光谱分辨率优于100 mHz（对应于频率精度${<}$ 1 ppm），单次灵敏度优于70 pT。我们讨论的优势，核自旋磁力仪传统的NV中心传感器，包括部署在随机取向的金刚石颗粒和光学散射介质。由于我们的技术采用密集包装的${}^{13}C$核作为传感器，它展示了一种新的方法，在“耦合传感器”的限制磁力。这项工作指出了有趣的机会，从超极化纳米金刚石构造的微型NMR化学传感器，并建议应用动态核极化（DNP）在量子传感。
2021-12-22 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Causality principle in reconstruction of sparse NMR spectra
稀疏采样方法的快速发展为医学、化学、分子结构生物学等领域的磁共振技术提供了极大的功率和效率。我们建议使用现有的，但通常未利用的先验知识的相位和因果关系的稀疏检测到的NMR信号作为一种通用的方法，为一个重大的改进的光谱质量。这项工作给出了一个理论框架的方法，并展示了显着的改善与两个常用的国家的最先进的信号处理算法，压缩传感和SIFT重建的蛋白质光谱。
2014-01-27 cs.IT math.IT physics.chem-ph
A smoothing monotonic convergent optimal control algorithm for NMR pulse sequence design
在过去的十年中，人们对在相干量子可控系统中使用基于最优控制的方法越来越感兴趣。这种方法的多功能性已经在核磁共振（NMR）中以特别优雅的方式被证明，其中相干和耗散自旋动力学过程之间的自然分离使得能够在长时间内进行相干量子控制，以将实验塑造成几乎理想地采用自旋系统和外部操纵。这导致了新的设计原则，以及强大的新的实验方法，在磁共振成像，液态和固态NMR光谱。为了使这种发展继续下去并扩大，至关重要的是要不断改进底层的数值算法，以提供与当前仪器上的实现最佳兼容的数值解，同时数值稳定并提供快速单调收敛到目标。针对这些目标，我们在这里提出了一个平滑单调收敛算法的磁共振脉冲序列设计，提高优化稳定性，导致平滑脉冲序列更容易实现实验和潜在的理解内的分析框架现代NMR光谱。
2010-02-08 math.OC physics.chem-ph quant-ph
A Modernized View of Coherence Pathways Applied to Magnetic Resonance Experiments in Unstable, Inhomogeneous Fields
近几十年来，在较低频率和非均匀和/或时变场中进行实验的价值已经增长。例如，对水化动力学的纳米级非均匀性的兴趣需要在低场部署Overhauser动态核极化（ODNP）的日益复杂和自动化的测量。这些方法的发展带来了各种挑战，促使我们开发一种标准化的替代方案，以获取和分析绝大多数当代核磁共振（NMR）研究所采用的相干路径信息的传统模式。具体而言，在经过良好测试的稳定NMR系统上，在高度优化的均匀磁场中运行经过良好测试的脉冲序列，传统的硬件和软件通过平均和丢弃3/4到127/128之间的数字化数据来快速隔离有意义的数据子集。相比之下，在开源库功能的最新进展的推动下，这里实现的域彩色相干转移（DCCT）模式建立在沿脉冲相位周期域的傅立叶变换的长期存在的概念上，以实现数据可视化，更充分地反映这些NMR实验背后的丰富物理学。除了讨论一般DCCT方案和相关绘图方法的概述和实现之外，本文还介绍了一系列算法，这些算法提供了鲁棒的定相，避免了基线失真，并且能够通过信号平均相关对齐在背景噪声中实现相对较弱的信号。可视化原始数据的方法，以及它们所指导的处理例程的开发，应该直接应用于或容易地扩展到面临类似挑战的其他技术。
2022-06-23 physics.chem-ph
Zero- to Ultralow-field Nuclear Magnetic Resonance
本文综述零场至超低场核磁共振的物理机制、检测与操控方式、应用优势及超极化等技术进展，并展望其未来研究方向。
2025-02-05 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.ins-det
Magnetic Susceptibility: Solutions, Emulsions, and Cells
在非均质样品中的各个隔室之间的磁化率的差异可能会给NMR谱带来意想不到的复杂性。另一方面，在基本物理原理水平上对这些效应的理解导致了几种实验技术的发展，这些技术提供了NMR光谱学所特有的细胞功能数据。为了说明易感性效应的一些关键特征，我们提出，在一个更一般的概述，红细胞和最近描述的模型系统，涉及邻苯二甲酸二乙酯在水中获得的结果。该物质在水中形成相对稳定的乳液，但在室温下具有5 mmol/L的显著溶解度;因此，NMR光谱的共振频率是简单溶液预期的两倍。是什么决定了这两个峰族的相对强度？它们的频率是否可以通过实验以可预测的方式进行操纵？用于解释来自模型系统和细胞的NMR光谱的理论最初是在近一个世纪前的静电学背景下发展起来的，然而它的一些基本假设现在需要更仔细的审查。虽然这一见解在本文中以实用的方式使用，但随附的文章涉及这种新分析背后的数学和物理。
2006-12-24 physics.chem-ph q-bio.CB
Decoherence of many-spin systems in NMR: From molecular characterization to an environmentally induced quantum dynamical phase transition
开放量子系统的控制对于从量子信息处理到纳米技术的领域具有基本的相关性。通常，想要操纵其相干动力学的系统与平滑地降低其量子动力学的环境相互作用。因此，准确理解这个过程的内在机制，称为“退相干”，对于发展控制量子动力学的策略至关重要。在这篇论文中，我们求解了推广的Liouville-von Neumann量子主方程，得到了多自旋系统与自旋池相互作用的动力学。我们还解决了自旋动力学内的Keldysh形式主义。这两种方法导致相同的解决方案，并一起给我们的可能性，以获得大量的物理预测，以及对比核磁共振实验。我们将这些工具应用于分子表征，开发新的数值方法和实验实现中的量子动力学控制。但是，更重要的是，这些结果有助于对开放系统中量子动力学行为的基本物理解释。特别是，我们发现了环境诱导的量子动力学相变的表现。
2007-05-15 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Unraveling Molecular Structure: A Multimodal Spectroscopic Dataset for Chemistry
IBM Research（IBM研究院）；University of Zürich（苏黎世大学）；EPFL（洛桑联邦理工学院）
针对化学领域缺乏多模态光谱数据集的问题，该研究发布含79万分子多种模拟光谱的数据集及单模态任务基准，可支撑多模态基础模型开发，助力分子发现流程自动化。
2024-10-29 cs.AI cs.LG physics.chem-ph
Use of Cholesky decomposition in the CFOUR program package
Yale University（耶鲁大学）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
该研究介绍了在量子化学程序包CFOUR中，将Cholesky分解应用于CASSCF、耦合簇等多种计算场景及磁性质计算等的相关开发，以加速分子能量与性质的高级计算。
2026-09-02 physics.chem-ph
