Гиперполяризация ядерных спинов повышает чувствительность ЯМР, но обычно требует сложной инфраструктуры. Усиление сигнала за счёт обратимого обмена (SABRE) — метод гиперполяризации на основе параводорода — может быть проведён с использованием поляризатора удивительно низкой стоимости (< 100 долларов), состоящего только из магнитных катушек и стандартной звуковой карты ПК, без необходимости магнитного экранирования. Однако в этих условиях для SABRE требуется прямое спин-спиновое взаимодействие между параводородом и ядром-мишенью, что ограничивает его применение для удалённых гетероядерных спинов, таких как 77Se в биологически значимых селен-азотсодержащих гетероциклах (например, антиоксидантах, противовирусных и противоопухолевых агентах).
В данной работе продемонстрирован способ преодоления ограничения по расстоянию между ядрами. Разработан метод передачи поляризации, опосредованной ядрами 15N, с помощью осциллирующих магнитных полей звуковой частоты. В качестве доказательства концепции достигнуто 11 600-кратное усиление сигнала ЯМР 77Se (>6% поляризации) в установке на базе ЯМР-спектрометра с магнитным полем 9,4 Тл без экранирования внешнего магнитного поля, используя производное селенадиазола. Эти результаты позволяют предположить, что соединения на основе селенадиазола особенно хорошо подходят для данной стратегии и закладывают основу для её распространения на другие селенсодержащие молекулы. Разработанный подход открывает новые возможности для применения доступной гиперполяризации в биомедицинских исследованиях, в частности для изучения структуры и функций биологически активных селенсодержащих соединений методами ЯМР.
Markelov, D. A., Kiryutin, A. S., Borisov, A. V., Kosenko, I. D., Godovikov, I. A., & Yurkovskaya, A. V. (2025). 77Se Hyperpolarization Enabled by Reversible Parahydrogen Exchange and Audio-Frequency Magnetic Fields at 0.1 mT. The Journal of Physical Chemistry Letters, 16, 10621-10626.
Времена релаксации ядерных спинов часто служат ценным источником информации о динамике различных биохимических процессов. Измерение релаксации в зависимости от величины внешнего магнитного поля оказалось чрезвычайно полезным для изучения слабых лиганд-белковых взаимодействий. В этой работе продемонстрировано, что наблюдение за релаксацией долгоживущего спинового порядка, а не продольной намагниченности, расширяет возможности этого подхода. Была изучена зависимость от магнитного поля скорости релаксации продольной намагниченности и синглетного порядка протонов метиленовой группы в дипептиде аланил-глицин и цитрате в присутствии человеческого сывороточного альбумина (HSA). В результате скорость релаксации синглетного порядка оказалась более чувствительной к лиганд-белковому взаимодействию, обеспечивая более высокий контраст для различных концентраций HSA. Чтобы более детально оценить параметры процесса связывания, использовалась простая аналитическая модель для аппроксимации экспериментальных полевых зависимостей как для скорости релаксации синглетного порядка, так и для времени спин-решеточной релаксации Т1. Также была проверена применимость такого подхода в экспериментах с триметилсилилпропановой кислотой (TSP), используемой в качестве конкурента при связывании лиганда с HSA. Полученные результаты демонстрируют значительное повышение чувствительности метода ЯМР к слабым межмолекулярным взаимодействиям, что открывает новые возможности для изучения биохимических процессов и скрининга лекарственных соединений.
Kozinenko V., Kiryutin A. S., Yurkovskaya A. V. Exploring Weak Ligand-Protein Interactions by Relaxometry of Long-Lived Spin Order // Physical Chemistry Chemical Physics. ‒ 2024. ‒ T. 26. ‒ C. 15968-15977.https://doi.org/10.1039/D4CP00582A
Двумерная ЯМР-спектроскопия, впервые предложенная Жаном Женером и реализованная Ауэ, Бартольди и Эрнстом, превратила ЯМР в мощный инструмент для химии, науки о материалах, структурной биологии и медицины. Применение двумерных методов ЯМР (2D-ЯМР) повысила как спектральное разрешение, так и информационную насыщенность ЯМР-спектров, выявляя корреляции между ядрами через химические связи или через пространство. В основе 2D-ЯМР лежит возможность управлять тем, какие взаимодействия определяют эволюцию спиновой системы, или выбирать, какая информация отображается в каждом из спектральных измерений. В современных ЯМР-спектрометрах управление системами ядерных спинов обычно достигается путем применения строго определённых последовательностей радиочастотных импульсов и задержек.
Совершенно иной способ выбора того, как эволюционирует спиновая система, был предложен Пайнсом и его сотрудниками для твёрдых тел и впоследствии распространён на растворы. Он заключается в снижении магнитного поля до значений, настолько малых, что взаимодействие с магнитным полем становится пренебрежимо малым по сравнению с внутренними взаимодействиями, такими как диполь-дипольные и скалярные связи. В настоящее время можно получить магнитные поля в диапазоне нескольких нанотесла (или меньше), так что скалярные связи между одинаковыми протонами могут стать больше, чем Зеемановское взаимодействие, в режиме сверхнизких и нулевых полей (англ. Zero- to Ultralow-Field, ZULF). В этой главе мы обобщаем опыт и результаты недавних исследований, в которых используется эволюция в условиях ZULF для управления эволюцией спиновых систем в 2D-ЯМР.
Ivanov K., Blanchard J., Budker D., Ferrage F., Kiryutin A., Sjolander T., Yurkovskaya A., Zhukov I. Two-Dimensional Methods and Zero- to Ultralow-Field ( ZULF ) NMR // Two‐Dimensional (2D) NMR Methods, 2023. ‒ C. 395-414.
Для разработки эффективных и устойчивых энергетических технологий необходимо исследовать механизмы каталитической активации водорода. Одним из наиболее часто использующихся металлов в катализаторах является никель (II). В лаборатории фотохимических радикальных реакций изучалось взаимодействие комплексов никеля(II) с диазадифосфациклооктановыми лигандами с молекулярным водородом (H2), с акцентом на промежуточные продукты гетеролитического расщепления H2. С помощью многоканальной ЯМР-спектроскопии и индуцированной параводородом поляризации ядер (ИППЯ) авторы смогли обнаружить и охарактеризовать комплексы никеля(II) с диводородом и гидридные комплексы, которые являются ключевыми промежуточными продуктами процесса. Исследование показало, что добавление H2 к этим никелевым комплексам приводит к образованию продуктов, в которых H2 расщепляется гетеролитически: один атом водорода связывается с центральным атомом никеля, а другой — с атомом азота в лиганде. Использование пара-водорода позволило наблюдать короткоживущий комплекс никеля(II) с диводородом, который ранее был предсказан только теоретически. Эксперименты также показали, что реакция обратима, а стабильность и свойства обмена комплексов можно изучать с помощью методов химического обмена с насыщением (Chemical Exchange Saturation Transfer, CEST) и частично отрицательной линии (PArtially NEgative Line, PANEL). Полученные результаты дают новые сведения о механизме активации H2 никелевыми катализаторами и подчеркивают полезность современных ЯМР-методик для изучения таких процессов. Определение и характеристика промежуточных продуктов — ди-водородных и гидридных комплексов никеля — дают фундаментальные знания о том, как молекулы водорода могут расщепляться и использоваться в химических реакциях. Эти данные необходимы для совершенствования каталитических процессов в хранении водорода, топливных элементах и «зелёной» химии, где эффективная и селективная активация H2 остаётся ключевой задачей.
Теноксикам — это нестероидное противовоспалительное средство, которое также рассматривается как перспективный компонент для противораковой терапии. В отличие от других соединений семейства оксикамов, Теноксикам проявляет необычную особенность: в кристаллическом состоянии он преимущественно существует в виде цвиттериона, хотя теоретически может принимать β-кето-енольную или β-дикетонную формы.
Чтобы понять причину такого предпочтения формы, было проведено комплексное экспериментальное и вычислительное исследование влияния растворителя и внутренних нековалентных взаимодействий на таутомеризацию теноксикама. Показано, что полярность растворителя оказывает лишь незначительное влияние на процесс кристаллизации. Это позволило впервые синтезировать и охарактеризовать пять новых пять новых комплексных форм с растворителем, в которых Теноксикам также присутствует в цвиттерионной форме.
Квантово-химический анализ (Natural Bond Orbital, метод NBO) выявил ключевое взаимодействие — S-связь между атомом серы тиофенильной группы и атомом кислорода карбонильной группы. Эта S-связь стабилизирует цвиттерионное состояние и определяет путь кристаллизации. Работа подчёркивает важность S-связей в дизайне лекарств, несмотря на то что их роль по-прежнему недооценена. Более детальное изучение S-связей может способствовать разработке улучшенных противовоспалительных и противоопухолевых средств.
Двумерная ЯМР-спектроскопия является одним из важнейших инструментов для исследования структуры и динамики биологических макромолекул. Однако низкая чувствительность этого метода приводит к тому, что запись спектров занимает от нескольких минут до часов. В данной работе показано, что биологически активный производный пептид ингибитора трипсина-1 подсолнечника (SFTI-1), состоящий из 14 аминокислот, можно обнаруживать значительно быстрее, сочетая параводородную гиперполяризацию (PHIP) и ультрабыструю двумерную ЯМР-спектроскопию.
Гиперполяризация пептида была достигнута за счёт введения O-пропаргил-L-тирозина. В одномерных PHIP-экспериментах было зарегистрировано увеличение интенсивности сигнала примерно в 1200 раз по сравнению со стандартным ЯМР. Такой прирост чувствительности позволяет получать двумерные корреляционные спектры низкоконцентрированных образцов SFTI-1 менее чем за 10 секунд с использованием ультрабыстрого односканового детектирования.
Эти результаты демонстрируют, как методы гиперполяризации могут преодолеть фундаментальные ограничения чувствительности ЯМР. Использование таких методов может ускорить разработку лекарств, улучшить методы биомедицинской диагностики и обеспечить мониторинг биохимических процессов в реальном времени.
https://doi.org/10.1002/chem.201900079
В данной работе представлен уникальный экспериментальный метод, позволяющий выполнять ЯМР-измерения в исключительно широком диапазоне магнитных полей — от 5 нанотесла до 10 тесла с быстрым переключением полей. Метод основан на гибридном подходе: высокие поля достигаются за счёт размещения образца во внешнем неоднородном поле магнита ЯМР-спектрометра, а для полей ниже 2 миллитесла используется магнитный экран, установленный на спектрометре, внутри которого специально разработанная система катушек формирует нужное поле.
Такая установка обеспечивает рутинное измерение T₁-релаксационных времён и параметров ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) во всём диапазоне полей. Для связанных протон–углеродных спиновых систем на низких полях наблюдается единое время релаксации T₁, что соответствует режиму сильной связи спинов. В отдельных случаях ультранизкие поля позволяют регистрировать долгоживущие гетероядерные спиновые состояния. Кроме того, в протон–углеродных системах при ультранизких полях обнаружен эффективный когерентный перенос поляризации, проявляющийся в виде квантовых осцилляций поляризации. Полученные возможности открывают путь к более точному анализу и управлению гетероядерными спиновыми системами. Использованная в работе технология широкодиапазонного ЯМР с быстрым переключением полей позволяет изучать релаксацию и спиновую динамику молекул в самых разных условиях, что в перспективе позволит улучшить методы исследования молекулярных процессов в области медицины, материаловедения и биофизике.
http://doi.org/10.1039/C7CP08529J
В данной работе представлен обзор времяразрешенного метода химически индуцированной динамической ядерной поляризации (CIDNP), который позволяет значительно повысить чувствительность ЯМР-спектроскопии за счет гиперполяризации молекул. Рассмотрены основные принципы формирования поляризации в жидких средах при высоких магнитных полях, которые определяются механизмом «спиновой сортировки»; рассматриваются экспериментальные установки. Метод основан на механизме пары радикалов, при котором короткоживущие пары радикалов, образующиеся в фотохимических реакциях, приводят к неравновесной поляризации ядерных спинов, которую можно детектировать с помощью ЯМР. Метод CIDNP сочетает наряду с усилением чувствительности ЯМР возможность прямого исследования труднодоступных радикальных промежуточных продуктов и молекулярной динамики при комнатной температуре. Такой подход позволяет наблюдать быстрые радикальные реакции в фундаментальных биологических процессах, таких, как перенос электрона в биохимических цепочках, репарация ДНК, формирование конформации белков. Это делает CIDNP важным инструментом для изучения механизмов оксидативного стресса, повреждений биомолекул и процессов, лежащих в основе множества заболеваний.
Morozova, O. B., Ivanov, K. L., Time-resolved CIDNP of biologically important molecules. ChemPhysChem 2019, 20, 197-215.http://doi.org/10.1002/cphc.201800566 Cover review
В работе представлен универсальный и высокоэффективный метод ЯМР для преобразования долгоживущих синглетных спиновых состояний из обычной продольной намагниченности в парах спинов ½ с помощью адиабатически изменяемых радиочастотных полей. Этот метод, названный Adiabatic-Passage Spin Order Conversion (APSOC), позволяет эффективно преобразовывать продольную спиновую намагниченность в синглетный спиновый порядок и обратно в триплетный, как для сильно, так и для слабо связанных спиновых пар с эффективностью, близкой к теоретическому максимуму. Данный подход особенно полезен для генерации и поддержания долгоживущих спиновых состояний (LLS), которые устойчивы к быстрому релаксационному распаду и могут использоваться для сохранения гиперполяризации в экспериментах ЯМР. В качестве примера проанализированы синглетные состояния метиленовых протонов пептидов. Долгоживущие спиновые состояния существенно увеличивают время «жизни» ЯМР-сигнала, что важно для изучения медленных процессов, таких как молекулярное движение и диффузия, повышения чувствительности гиперполяризованных агентов и разработки новых аналитических и диагностических методов в химии, биологии и медицине. Кроме того, эта техника имеет перспективу применения в развитии квантовых вычислений за счет методов генерации и управления запутанными квантовыми состояниями.
Pravdivtsev, A. N., Kiryutin, A. S., Yurkovskaya, A. V., Vieth, H.-M., Ivanov, K. L., Robust conversion of singlet spin order in coupled spin-1/2 pairs by adiabatically ramped RF-fields. J. Magn. Reson. 2016, 273, 56-64.http://doi.org/10.1016/j.jmr.2016.10.003 Cover
В этой работе представлен новый метод переноса гиперполяризации между ядерными спинами, которые взаимодействуют через скалярное спин-спиновое сцепление. Метод основан на использовании особых точек — антипересечений уровней (LAC), где энергетические уровни спиновой системы сближаются и позволяют эффективно перемешивать спиновые состояния. Для создания таких условий применяется радиочастотное (РЧ) поле с точно подобранной частотой и амплитудой.
В данной работе авторы демонстрируют подход на примере симметричной четырёхспиновой системы в экспериментах с ИППЯ (индуцированной параводородом гиперполяризацией). Определены положения LAC-точек, установлены правила изменения знака поляризации и исследована зависимость эффективности передачи гиперполяризации от параметров РЧ-поля. Экспериментальные результаты отлично согласуются с теорией. В целом, предложенный метод на основе LAC предлагает мощный и универсальный инструмент для управления гиперполяризацией в многоспиновых системах. Авторы показывают, что такая настройка приводит к сильному смешиванию спиновых состояний и обеспечивает эффективный перенос поляризации между скалярно-связанными ядрами в многочастичных спиновых системах. Исследование также демонстрирует, что как внезапное, так и адиабатическое выключение RF-поля существенно влияют на наблюдаемый спектральный рисунок, предоставляя дополнительные средства управления спиновыми состояниями. Данный метод снимает ограничения чувствительности ЯМР, предлагая достигать условия сильной связи и LAC на высоком поле с использованием стандартного ЯМР-оборудования без применения дорогостоящих низкопольных систем. Это делает метод гибким, доступным и легко расширяемым на более сложные или гетероядерные спиновые системы, а также на долгоживущие синглетные состояния, важные для современной спектроскопии, химии и разработки новых гиперполяризованных контрастных агентов для МРТ.
Pravdivtsev, A. N.; Yurkovskaya, A. V.; Lukzen, N. N.; Vieth, H. M.; Ivanov, K. L., Exploiting level anti-crossings (LACs) in the rotating frame for transferring spin hyperpolarization. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16 (35), 18707-18719.https://doi.org/10.1039/C4cp01445f
В этой работе представлена теоретическая модель, описывающая образование и перенос индуцированной пара-водородом поляризации ядер (ИППЯ), в многоспиновых системах при произвольной величине магнитного поля. Основой модели является предположение, что решающую роль в когерентном переносе ИППЯ играют скалярные спин-спиновые взаимодействия в переменных полях. Исследование разрабатывает теоретическую основу для описания ИППЯ в системах с произвольным числом связанных спинов. С использованием уникальной установки, разработанной в лаборатории, были сняты высокоразрешенные спектры этилбензола и стирола с быстрым переключением магнитных полей в широком диапазоне (от 0.1 мТ до 7 Т). В работе показано, что зависимость от поля и временной профиль изменения поля существенно влияют на картины ИППЯ, а скалярные спин-спиновые взаимодействия являются основным фактором, ответственным за передачу поляризации. Проведено сравнение расчетов с экспериментальными данными для ИППЯ этилбензола, которая возникает при каталитическом пара-гидрировании стирола. Для этилбензола было обнаружено идеальное согласие теории и эксперимента, как для CH2 и CH3 протонов, так и для относительно слабо поляризованных ароматических протонов. Расчеты с учетом реального профиля переключения магнитного поля и 10 связанных спинов, моделирующих систему протонов молекулы этилбензола, показали идеальное согласие с экспериментом, тогда как расчеты в приближении внезапного и адиабатического переключения поля результаты расчетов плохо согласуются с экспериментальными данными, что требует дополнительного исследования.
Наше исследование подтверждает, что скалярные спин-спиновые взаимодействия определяют структуру ИППЯ; результаты подтверждают точность теоретического подхода, который может использоваться для дальнейших приложений гиперполяризации.
Korchak, S. E., Ivanov, K. L., Yurkovskaya, A. V., Vieth, H.-M., Para-hydrogen induced polarization in multi-spin systems studied at variable magnetic field. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 11146-11156.
http://doi.org/10.1039/B914188j Cover
Результаты исследований зависимости гиперполяризации ядерных спинов при гидрировании параводородом от магнитного поля опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, где статья получила статус “Hot Paper”. Рисунок, иллюстрирующий содержание этой статьи, вынесен на обложку журнала.
В 2016 году в лаборатории фотохимических радикальных реакций Кирютиным А. С и коллегами была построена экспериментальная установка, позволяющая исследовать ЯМР-процессы в магнитных полях от 10 нанотесла до 9.4 тесла — диапазоне, охватывающем более девяти порядков. Созданная система позволяет быстро переключать магнитное поле за счет перемещения исследуемого образца в пространстве вдоль вертикальной оси сверхпроводящего магнита. С её помощью можно проводить эксперименты по генерации ядерной гиперполяризации методами химической поляризации ядер (ХПЯ) и индуцированной параводородом поляризации ядер (ИППЯ); проводить регистрацию спектров с сохранением высокого спектрального разрешения на уровне долей герца (при рабочей частоте спектрометра, равной 400 МГц). Для создания гиперполяризации существуют возможность барботирования параводородом 98% и облучение мощными светодиодами и лазерными модулями.
Данная система позволяет получать уникальную информацию о релаксивности контрастных агентов для МРТ, временах корреляции вращательного движения молекул в растворе, изучать фундаментальные параметры взаимодействия в радикальных парах и бирадикалах, устанавливать оптимальные условия для переноса поляризации параводорода на требуемые ядра субстратов.
На момент создания установка не имела прямых аналогов и представляла собой технологический прорыв; впоследствии она стала основой для разработки аналогичных систем в лабораториях по всему миру. Сегодня установка остаётся одной из наиболее передовых в своём классе и продолжает модернизироваться. Технология подтверждена российским патентом № 2746064.
Первый опыт трансфера разработки за рубеж был получен в 2019 году в рамках совместного российско-германского гранта РНФ-DFG с Техническим университетом Дармштадта (Германия).
В 2021 году с удаленной поддержкой и курированием Кирютиным А. С. была построена копия новосибирской установки в Саутгемптоне (Великобритания): диапазон магнитных полей 10 нТл — 11 Тл (9 порядков); создание гиперполяризации с помощью параводорода; детектирование ядер 1Н, 13С, 15N и др. на стандартных датчиках ЯМР.
В 2020 году в лаборатории создан упрощенный вариант установки для изучения релаксивности контрастных агентов МРТ на базе высокопольного ЯМР спектрометра 700 МГц с возможностью регистрации ядер 1Н, 13С, 15N и др. в диапазоне магнитных полей 3 мТл — 16.4 Тл.
Разработанные в нашей лаборатории установки позволяют создавать гиперполяризованные жидкости, которые в перспективе могут не только значительно удешевить и ускорить процесс разработки новых контрастных агентов для МРТ, но и могут быть использованы для скрининга, поиска и визуализации онкологических заболеваний и патологий метаболических процессов внутри организма.
Совместно с Лабораторией теоретической спиновой химии http://www.tomo.nsc.ru/structure/lab/ltsh/ нами были разработаны программы для подбора и оптимизации параметров в экспериментах по созданию долгоживущих синглетных состояний методами адиабатического воздействия радиочастотными импульсами.
