近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的一项成果登上《美国化学会志》。研究团队利用光化学诱导动态核极化技术，让核磁共振信号的灵敏度提升了两个数量级。他们开发的氟标记探针能在两秒内检测出微摩尔浓度的氨基酸，检测限低至二十纳摩尔。这一突破为观察细胞代谢的瞬态变化提供了新工具。
核磁共振长期受制于灵敏度天花板
核磁共振波谱仪是现代化学和生命科学的眼睛。它能无损解析分子结构，却长期受困于一个物理极限：信号太弱。在热平衡状态下，高低能级核自旋的粒子数差极小。室温下，每百万个原子核中，仅有少数几个贡献有效信号。这种先天不足导致常规检测需要毫摩尔级样品，且耗时漫长。
过去七十年，科学家一直在寻找“信号放大器”。从超导磁体到低温探头，硬件升级已逼近工程极限。动态核极化技术通过微波驱动电子-核自旋转移，能将信号增强数百倍，却需要极低温环境和复杂硬件。光化学诱导动态核极化（Photo-CIDNP）应运而生。它利用激光触发可逆光化学反应，在温和条件下产生非平衡自旋态，理论上更适合活细胞体系。然而，该技术长期受困于两个瓶颈：可极化的分子类型稀少，分子结构与极化效率之间的构效关系如同黑箱，研究者只能盲目筛选。
中国团队建立理论预测新框架
中科院精密测量院的研究团队找到了打开黑箱的钥匙。他们结合量子化学计算与实验验证，发现含氟化合物中氟-19核的极化性能，可以通过对应自由基的自旋密度精确预测。自旋密度描述了未成对电子在分子骨架上的分布概率。这一发现建立了从分子结构到极化效率的定量桥梁。
图释：（A）自由基在不同位置处19F的自旋密度及极化性能;（B）19F NMR识别及信号增强机制;（C）1 μM氨基酸混合物的19F NMR谱
此前，Photo-CIDNP研究多集中于氢核和碳-13核。氟-19虽有优异的核磁共振特性，其光化学极化规律却缺乏系统理论指导。团队的工作首次为氟标记分子的理性设计提供了判据。这意味着研究者无需合成大量化合物试错，只需计算自旋密度，就能预判极化效果。这种“计算先行”的策略大幅降低了研发成本，将经验驱动转变为数据驱动。
新型探针实现细胞代谢动态监测
基于上述理论，团队设计了一种针对胺基类化合物的高灵敏氟-19衍生化探针。该探针能与氨基酸迅速反应，将不易检测的胺基转化为强极化信号源。实验数据显示，在单次采样仅两秒的条件下，探针即可识别浓度为一微摩尔的氨基酸混合物，信号增强普遍超过一百倍。经过六十四次扫描，单个氨基酸的检测限可达二十纳摩尔。
研究团队进一步将探针应用于细胞裂解液。他们成功捕捉到氧化应激过程中氨基酸含量的动态变化。通过调控衍生化单元的分子结构，还能实现对特定氨基酸的选择性识别。这种可拓展的设计意味着，该方法有望推广到蛋白质、多肽等更复杂的生物分子检测，为实时监测细胞代谢流提供了化学工具。
中国在该领域积累深厚且布局完整
这项突破并非孤立事件。中国在核磁共振方法学领域拥有数十年积累。从早期的波谱理论研究，到自主研制高场核磁共振仪器，中科院武汉物数所（现精密测量院）等机构始终处于国际前沿。近年来，中国在动态核极化、超极化气体成像等方向持续发力，形成了从硬件研制到方法创新的完整链条。
相较于欧美实验室在低温DNP领域的传统优势，中国科学家在光化学极化这一新兴分支展现出独特竞争力。此次在JACS发表的氟标记策略，不仅解决了生物样本检测的灵敏度难题，更通过理论计算与实验的深度融合，提升了中国在该领域的学术话语权。随着国产高场核磁仪器的成熟，此类方法学创新有望加速向临床诊断和药物筛选转化。
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