Введение

Динамическая ядерная поляризация (ДНП) возникает в результате передачи спиновой поляризации от электронов к ядрам, тем самым выравнивая ядерные спины в той степени, в которой выровнены спины электронов. Следует отметить, что выравнивание спинов электронов при заданном магнитном поле и температуре описывается распределением Больцмана в состоянии теплового равновесия. Также возможно, что эти электроны достигают более высокой степени упорядоченности посредством других методов создания спинового порядка электронов, таких как: химические реакции (приводящие к химически индуцированной ДНП, CIDNP), оптическая накачка и спиновый инжекция. ДНП рассматривается как один из нескольких методов гиперполяризации. ДНП также может быть индуцирована с использованием неспаренных электронов, образующихся при радиационном повреждении твердых тел. Когда спиновая поляризация электронов отклоняется от значения теплового равновесия, передача поляризации между электронами и ядрами может происходить спонтанно посредством электронно-ядерной кросс-релаксации или смешивания спиновых состояний между электронами и ядрами. Например, передача поляризации происходит спонтанно после реакции гомолиза. С другой стороны, когда спиновая система электронов находится в тепловом равновесии, передача поляризации требует непрерывного микроволнового облучения на частоте, близкой к соответствующей частоте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В частности, механизмы микроволново-индуцированных процессов ДНП подразделяются на эффект Оверхаузера (OE), эффект твердого тела (SE), эффект перекрестного действия (CE) и термическое смешивание (TM). Первые эксперименты по ДНП были проведены в начале 1950-х годов при низких магнитных полях, но до недавнего времени применение метода было ограничено для высокочастотной высокопольной ЯМР-спектроскопии из-за отсутствия источников микроволнового (или терагерцового) излучения, работающих на соответствующей частоте. Сегодня такие источники доступны в виде готовых к использованию приборов, что делает ДНП ценным и незаменимым методом, особенно в области определения структуры с помощью высокоразрешающей твердотельной ЯМР-спектроскопии.

Статический образец

В простой модели системы двух спинов электронного ядра, твёрдый эффект возникает при возбуждении перехода, включающего взаимное переключение спинов электронного и ядерного (называемого переходом нулевого или двойного квантового числа), микроволновым излучением в присутствии релаксации. Этот тип перехода, как правило, слабо разрешён, что означает, что дипольный момент перехода для указанного микроволнового возбуждения является результатом эффекта второго порядка взаимодействия электронов и ядер и, следовательно, требует большей мощности микроволнового излучения для достижения заметной величины, а его интенсивность уменьшается с увеличением внешнего магнитного поля B0. В результате, усиление DNP от твёрдого эффекта масштабируется как B0−2 при поддержании постоянными всех параметров релаксации. После возбуждения этого перехода и при действующей релаксации, намагниченность распространяется на "основные" ядра (большую часть ядер, детектируемых в эксперименте ЯМР) через сеть ядерных дипольных взаимодействий. Этот механизм поляризации оптимален, когда возбуждающая микроволновая частота сдвигается вверх или вниз на величину ядерной частоты Лармора от электронной частоты Лармора в рассматриваемой системе двух спинов. Направление сдвига частоты соответствует знаку усиления DNP. Твёрдый эффект существует в большинстве случаев, но его легче наблюдать, если ширина линии спектра ЭПР вовлечённых неспаренных электронов меньше ядерной частоты Лармора соответствующих ядер.

Магический угловой короб

В случае магического крутящегося угла ДНП (MAS DNP) механизм иной, но для его понимания по-прежнему можно использовать систему из двух спинов. Поляризация ядер все еще происходит при возбуждении микроволновым излучением двойного или нулевого квантового перехода, однако из-за вращения образца это условие выполняется лишь короткое время в течение каждого цикла ротора (что делает процесс периодическим). В этом случае процесс ДНП происходит поэтапно, а не непрерывно, как в статическом случае.

Статика

Для реализации перекрестного эффекта требуются два неспаренных электрона как источник высокой поляризации. Без специальных условий такая система из трех спинов может генерировать только поляризацию типа "твердый эффект". Однако, когда резонансные частоты каждого электрона разделены ядерной частотой Лармора, и когда эти два электрона диполярно связаны, возникает другой механизм – перекрестный эффект. В этом случае процесс DNP является результатом облучения разрешенного перехода (так называемого однофотонного), что требует меньшей мощности микроволнового излучения по сравнению с "твердым эффектом". На практике, необходимое разделение частот ЭПР достигается за счет случайной ориентации парамагнитных частиц с g-анизотропией. Поскольку "частотное" расстояние между двумя электронами должно быть равно частоте Лармора целевого ядра, перекрестный эффект может возникнуть только в том случае, если неоднородно расширенная линия ЭПР имеет ширину, превышающую ядерную частоту Лармора. Следовательно, поскольку эта ширина линии пропорциональна внешнему магнитному полю B0, общая эффективность DNP (или усиление ядерной поляризации) масштабируется как B0⁻¹. Это справедливо до тех пор, пока времена релаксации остаются постоянными. Как правило, увеличение внешнего магнитного поля приводит к увеличению времен ядерной релаксации, что может частично компенсировать уменьшение расширения линии. На практике, в стеклообразном образце вероятность одновременного наличия двух диполярно связанных электронов, разделенных частотой Лармора, крайне мала. Тем не менее, этот механизм настолько эффективен, что его можно наблюдать экспериментально как самостоятельно, так и в дополнение к "твердому эффекту".

Магический угловой короб

Как и в статическом случае, механизм перекрестного эффекта MAS DNP существенно модифицируется из-за энергетического уровня, зависящего от времени. На примере простой трехспиновой системы было показано, что механизм перекрестного эффекта различается в статическом и MAS режимах. Перекрестный эффект является результатом очень быстрого многоступенчатого процесса, включающего одноквантовый переход EPR, антидиполярное избежание электронов и условия дегенерации перекрестного эффекта. В наиболее простом случае механизм MAS DNP можно объяснить комбинацией одноквантового перехода с последующим условием дегенерации перекрестного эффекта, либо антидиполярным избежанием электронов с последующим условием дегенерации перекрестного эффекта. Это, в свою очередь, кардинально изменяет зависимость СЕ от статического магнитного поля, которая не масштабируется как B0−1 и делает его значительно более эффективным, чем эффект твердого тела.

DNP-NMR

ДНП может быть использован для усиления сигналов ЯМР, но также и для введения внутренней пространственной зависимости: усиление намагниченности происходит вблизи облучаемых электронов и распространяется по всему образцу. Пространственная селективность может быть достигнута с использованием методов магнитно-резонансной томографии (МРТ), позволяя разделять сигналы от схожих участков на основе их местоположения в образце. ДНП вызвал большой интерес в сообществе ЯМР, поскольку он позволяет повысить чувствительность в ЯМР твердых тел. В ДНП большая поляризация электронных спинов передается на интересующие ядерные спины с помощью микроволнового источника. Существует два основных подхода к ДНП для твердых тел. Если материал не содержит подходящих неспаренных электронов, применяется экзогенный ДНП: материал пропитывается раствором, содержащим специфический радикал. При возможности используется эндогенный ДНП, основанный на электронах в ионах переходных металлов (динамическая ядерная поляризация ионов металлов, MIDNP) или электронах проводимости. Эксперименты обычно необходимо проводить при низких температурах с использованием магического угла вращения. Важно отметить, что ДНП обычно проводился *ex situ*, так как для уменьшения электронной релаксации обычно требуются низкие температуры.

Специальные вопросы

Динамическая ядерная поляризация: новые экспериментальные и методологические подходы и применения в физике, химии, биологии и медицине, Прикл. магн. резонанс, 2008. 34(3–4)
Динамическая ядерная поляризация высокого поля – ренессанс, Физико-химическая химия и физика, 2010. 12(22)