日本研究团队实现室温光驱动自旋极化向丙酮酸传递

日本德岛大学、大阪大学、金泽大学和京都大学组成的研究团队近日宣布，成功利用共结晶过程，将室温下由光驱动产生的自旋极化传递至癌症代谢磁共振成像诊断分子“丙酮酸”。这一成果为无需低温试剂的高灵敏度核磁共振(NMR)分析和磁共振成像(MRI)诊断分子开发提供了新的技术路径。

NMR和MRI的灵敏度很大程度上取决于核自旋排列程度，即极化率。动态核极化(DNP)可通过将电子自旋的高极化转移至核自旋，显著增强NMR和MRI信号。不过，传统DNP方法往往需要极低温环境、液氦等寒剂以及昂贵设备，限制了其更广泛应用。

利用共结晶的极化接力概念图。

此次研究聚焦于三重态动态核极化(Triplet-DNP)。该技术利用光照后分子中形成的三重态电子自旋偏置，有望在室温、低磁场条件下实现核自旋极化。研究团队指出，室温下可直接适用三重态DNP的分子种类有限，如何将极化传递给丙酮酸这类关键诊断分子，是此前面临的主要难题。

在实验中，研究人员先向作为中介分子的吡啶甲酰胺中加入少量并五苯作为极化源，并在室温下用光和微波照射固体样品，使吡啶甲酰胺中的核自旋取向排列。随后，团队将已极化的吡啶甲酰胺与丙酮酸快速混合，利用分子在数秒内形成共晶体的过程，把自旋极化“接力”传递至丙酮酸。

实验结果显示，研究团队在固态和溶液状态下均观察到来自丙酮酸的NMR信号增强。这表明，通过共结晶将室温下产生的极化传递给难以直接极化的目标分子，在原理上是可行的。

研究还发现，在当前实验条件下，丙酮酸与吡啶甲酰胺共结晶过程中会损失较多极化。团队认为，后续需要寻找更不易造成自旋偏置损失、且能够更快形成共晶体的分子组合，以进一步提高极化率。

该成果已于2026年7月1日以Advance Article形式发表于英国皇家化学会期刊《Chemical Science》。研究团队表示，未来若能提升这一“极化接力”技术效率，并拓展至丙酮酸以外的分子，有望推动下一代高灵敏度NMR分析及癌症代谢MRI诊断药物分子的开发。