研究人员利用核磁共振(NMR)光谱来确定分子结构和核相互作用，采用传统的高场方法和创新的零场技术，简化了实验设置并扩展了可以分析的核类型。最近的进展使得使用零场核磁共振精确测量四极核成为可能，有望在从医学诊断到化学分析的应用领域取得重大进展。图片来源:Oleg Tretiak

　　美因茨大学和加州大学伯克利分校的研究人员在零场核磁系统方面取得了重大进展南斯光谱学，为量子化学计算设定了新的基准。

　　一个特定分子的结构是什么?分子之间是如何相互作用的?研究人员经常求助于核磁共振(NMR)光谱学来回答这些问题。核磁共振利用强大的外部磁场来排列原子核的自旋。这些排列好的自旋被线圈产生的振荡弱磁场诱导旋转。

　　由此产生的电压变化可以转换为可测量的频率。在此基础上，研究人员可以识别分子结构，同时也可以揭示有关核自旋相互作用的某些信息。然而，这种类型的调查需要由大型设备产生非常强的磁场，而这些设备本身很难安装和维护。与此同时，即使有如此精密的设备，仍然很难分析四极核，这是自然界中最丰富的核类型。

　　在零场核磁共振(zero-field NMR)的情况下，不需要强大的外部磁场。在这里，磁活跃核的自旋之间的分子内耦合是主要的量子力学相互作用。

　　因此，光谱线更窄更锐利，甚至可以在金属或其他材料制成的容器中研究样品。零场核磁共振光谱现在用于监测金属容器中的反应或分析植物;它在医学上也有很好的应用。然而，为了能够测量自旋之间的微小相互作用，有必要提供对地球磁场的屏蔽，这本身就是一项复杂的工作。

　　简单但更精确的实验装置

　　美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)和美因茨亥姆霍兹研究所(HIM)的研究人员与加州大学伯克利分校的同事合作，最近成功地利用零场核磁共振测量了四极核。“我们分析了一种铵分子，NH4+，一种在各种应用中起重要作用的阳离子，”JGU团队负责人Danila Barskiy博士说。

　　“我们希望将来我们甚至能够在复杂的环境中检测到这些分子，比如反应堆和金属容器。”

　　研究人员能够设计出一种系统，只需将铵盐与水混合，并加入不同数量的氘。然后记录和分析各个光谱。为了进行这项分析，科学家们使用了一种市售的磁力计——不比指甲大——在一个带有磁屏蔽的自制紧凑型分析系统中。

　　精确测量以检验现有理论

　　研究人员还研究了另一个有趣的问题:铵分子中氘原子的数量在多大程度上影响了自旋的光谱和弛豫特性?

　　正如Román Picazo-Frutos, JGU物理研究所的一名学生和相应出版物的主要作者指出的那样:“使用我们的方法，可以以非常高的精度确定共振频率。由于该技术产生的结果可以与其他实验数据进行比较，因此可以用于量子化学计算的基准测试。我们希望我们的系统在不久的将来成为标准做法。”

　　尽管基于当前理论的预测与该团队获得的结果密切相关，但也存在一些小偏差。“该团队开展的工作大大扩展了通过零场到超低场核磁共振技术可以分析的分子范围。它甚至可能有助于创新应用的发展，可用于通过放射性伽马衰变来研究原子序数小的原子核，”JGU的Dmitry Budker教授总结道。

　　参考文献:“四极核的零场j光谱”，作者:Román Picazo-Frutos, Kirill F. Sheberstov, John W. Blanchard, Erik Van Dyke, Moritz Reh, Tobias Sjoelander, Alexander Pines, Dmitry Budker和Danila A. Barskiy, 2024年5月27日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 48390 - 2