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

一种称为魔角旋转核磁共振或MAS-NMR的技术已被证明是一种非常成功的确定复杂分子(如某些蛋白质)特性的方法。但此类系统可实现的分辨率取决于微型转子的旋转频率，并且这些系统已经突破了转子材料施加的限制。

今天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，它们像大头针一样薄。如果旋转速度远高于每分钟几百万转，这种转子就会分崩离析，从而限制了可以用这种系统研究的材料。但是现在，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、精确的转子，其更大的强度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。

这种新方法在麻省理工学院研究生NatalieGolota、ZacharyFredin、DanielBanks和DavidPreiss的一篇论文《磁共振杂志》中有所描述;RobertGriffin、NeilGershenfeld和KeithNelson教授;和麻省理工学院的其他七人。

Gershenfeld说，MAS-NMR技术“是在具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，而不是为了检查而干燥、结晶或涂层。“只有[固态]NMR在周围的化学环境中才能做到这一点，”他说。

格里芬解释说，基本方法已经存在了几十年，包括将一个装满待研究材料的小圆柱体放入磁场中，在磁场中可以使用气体喷射(通常是氮气)将其悬浮并旋转至高频，然后进行电击使用射频脉冲来确定材料的关键特性。术语“魔角”指的是，如果包含样品的圆柱体相对于所施加的磁场以一个精确的角度(54.74度)旋转，则光谱线变宽的各种来源都会减弱，并且光谱分辨率会高得多是可能的。

这些微型转子可以使用魔角旋转核磁共振(MAS-NMR)来确定某些复杂生物分子的结构和化学特性。图片来源：麻省理工学院

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前的旋转速度的限制。多年来，早期版本由各种塑料制成，后来使用陶瓷材料，最后是锆，“这是当今大多数转子制造的首选材料，”格里芬说。

这种MAS-NMR系统广泛用于生化研究，作为研究分子结构的工具，可以研究材料的分子结构，直至单个原子的水平，包括使用其他标准实验室方法难以或不可能探测的蛋白质等材料。这些不仅包括淀粉样原纤维，还包括膜蛋白和一些病毒组装体。但是，生物医学和材料科学领域的一些最紧迫的挑战超出了当今MAS-NMR系统的分辨率范围。

“随着我们的旋转频率超过100千赫兹，”相当于每分钟600万转，格里芬说，“这些转子变得非常有问题。它们大约有50%的时间会失败——你会丢失一个样本，它会破坏核磁共振线圈。”该团队决定解决用单晶金刚石制造转子的问题，当时许多人认为这是不可能的。

甚至制造他们使用的激光系统的公司也认为这是不可能的，并且需要一个跨学科团队多年的工作，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，才能解决这个问题问题。(这项合作源于Griffin和Gershenfeld在MIT的Killian奖委员会任职)。他们开发了一种基于激光的车床系统，可以快速旋转一块金刚石，同时用激光对其进行切割，基本上蒸发其外层，直到留下一个完美光滑的圆柱体，直径仅为0.7毫米(约1/36英寸)。然后，同样的激光被用来在圆柱体的中间钻一个完美居中的孔，留下一种吸管的形状。

Gershenfeld说：“目前尚不清楚它是否有效，但激光将金刚石变成石墨并驱除碳，你可以逐步做到这一点以深入钻入金刚石。”

金刚石在加工过程中出现了黑色的纯石墨涂层，但麻省理工学院的研究人员发现，可以通过在大约600°C(约1,100°F)的温度下将转子加热过夜来消除这种情况。结果是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，并且还具有其他优势特性，包括极高的导热性和射频透明度。

Fredin指出，制造这个高精度加工系统所需的所有零件“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造所有东西并每天在内部多次迭代是这个项目的一个重要方面，而不是必须将东西发送到外部的机械车间。”

研究人员说，这些新转子现在应该可以实现更高的旋转频率，但需要开发新的轴承和基于氦气而不是氮气的新系统来驱动旋转，以实现更高的速度和相应的分辨率的飞跃。“在这项技术得到证实之前，为这些小型转子开发这些兼容氦气的轴承是不值得的，因为之前使用的转子无法承受旋转速度，”最终可能高达2000万每分钟转数，Golota说。

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

Gershenfeld说，由于这些高速，任何缺陷都容易引起不稳定性：“如果结构中存在轻微的不对称，在这些频率下，你就注定了。”

Golota说，在她使用目前的氧化锆转子进行的实验中，“当转子发生故障时，它们会爆炸，而你基本上只能回收灰尘。但是当金刚石转子发生故障时，我们能够将它们完好无损地回收。所以，你保存了样品同样，这对用户来说可能是宝贵的资源。”

他们已经使用新的金刚石转子产生了一种小肽的碳13和氮15光谱，清楚地展示了新金刚石转子材料的能力，格里芬说这是第一种用于此类转子的新材料过去的三个十年。“我们已经广泛使用了这样的光谱，”他说，“以确定淀粉样蛋白1-42的结构，这是阿尔茨海默病中的一种有毒物质。”

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

核磁共振系统制造商DotyScientific的总裁大卫·多蒂(DavidDoty)说，这项工作“真的很了不起”，他没有参与这项工作。“在这个小组之外，很难找到任何人在实际看到它工作之前会认为有可能以fast-MAS所需的精度激光加工金刚石转子，”他说。

Doty补充道，“他们迄今为止所展示的……简直令人惊叹。如果能够取得额外的必要进展，数百名核磁共振研究人员将希望这些能够帮助他们为他们正在进行的项目获得更好的数据，从改进我们的了解一些疾病并开发更好的药物以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，”该研究所兼职主任安妮·莱萨奇(AnneLesage)说法国里昂高等师范学院的分析科学博士，他也没有参与这项工作。

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标签：转子材料系统