14.1 在分析有机化学环境中，利用19F核的动态核极化（Overhauser效应）实现液态T（14-1碳素）的检测

《Journal of the American Chemical Society》：14.1 T Liquid-State 19F Overhauser Dynamic Nuclear Polarization in an Analytical Organic Setting

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液态 19F 奥弗豪泽动态核极化（DNP）被应用于几种有机化合物，使用 1,3-双(二苯基)-2-苯基丙烯基（BDPA）作为极化剂。在 395 GHz/14.1 T 的微波照射下，19F DNP 增强因子达到了 3 到 37 倍。这些结果是使用传统的液态 NMR 探头获得的，该探头经过改造，加入了用于传输来自回旋加速器源的约 13–30 W 功率的微波的波导，以及一个场扫描线圈，以精确调节奥弗豪泽效应共振条件。实验中使用约 70 μL 的样品体积，得到的光谱分辨率与标准的液态 19F NMR 相当。这些研究还结合了对这些液体中 BDPA 的 T1e 和 T2e 松弛时间的定量测定，使用的是 94 GHz 的脉冲回波和反转-恢复测量方法。从这些数据中，可以提取出每个氟化系统的饱和因子、泄漏因子和 BDPA 耦合因子。所得到的耦合因子范围从 -0.0067 到 -0.14 不等，具体取决于所使用的分析物和溶剂系统。尽管加热问题仍有待解决，但这些结果为在高场条件下对有机液体进行 19F DNP NMR 测量开辟了新的可能性，特别适用于化学分析中重要的样品体积。这种方法可以显著扩展液态 19F DNP 在分析和药物化学中的小分子 NMR 应用范围，并最终用于检测和表征环境中持久存在的 PFAS 化合物。

1. 引言
NMR 长期以来一直是研究不同科学领域（包括化学、材料科学和生物学）中分子结构和动态的中心分析工具。(1?4) 尽管 NMR 具有出色的多功能性和广泛的应用性，但其使用往往受到由于自旋态之间种群差异小而导致的固有低灵敏度的限制。这一限制通常需要相对较大的样品量或较长的信号平均时间。为了提高灵敏度，人们使用了专门的方法，如动态核极化（DNP）、(5?9) 自旋交换光泵浦、(10,11) 副氢诱导增强、(12?14) 或光化学诱导的 DNP、(15?17)，这些方法也越来越受到认可。在这些提高 NMR 灵敏度的策略中，DNP 是最通用的一种，因为它通过将未配对电子自旋的较高极化转移到附近的核自旋上来增强 NMR 信号强度。DNP 转移通常通过涉及稳定自由基或顺磁中心的标量或偶极电子-核相互作用来实现，最大理论增强效果为 |γe/γn| 的量级。这里 γe 和 γn 分别是电子和感兴趣的核的旋磁比，这意味着 DNP 可以使 1H 和 19F 的灵敏度提高多达约 700 倍，对于 13C 和 15N 则可提高数千倍。(18) 由于 NMR 的灵敏度随着平均扫描次数的平方根而提高，这些增强效应相当于可以将信号平均时间减少数百万倍。

低温 DNP——特别是在固态魔角自旋模式下，或者与样品的突然熔化和溶解结合使用——已在广泛的结构性、材料学和生物医学 NMR 应用中变得越来越普遍。(8,19?32) 这些固态和超极化溶解方法显著提高了灵敏度，并实现了具有重大影响的研究；然而，它们本质上受到其低温操作的约束，只能用于冷冻颗粒，并且对于溶解 DNP 来说，只能进行单次测量，这会导致样品大量稀释。这些限制促使人们不断努力开发与常规液态 NMR 兼容的强大、多扫描 DNP 策略。液态 DNP NMR 通过奥弗豪泽机制在低磁场下已经得到了广泛验证，(18,24,28,33?40) 但其在高磁场下的扩展仍然具有挑战性。(41?48) 特别是，基于偶极的 1H 奥弗豪泽 DNP（ODNP）随着场强的增加而变得效率降低，尽管专用微腔探针和粒子中继方案已经证明了其可行性，(49?58) 但这些方法在通用性、样品体积和/或实际实施方面仍然有限。因此，强大的、高场、多扫描的液态 1H DNP 仍未成为广泛使用的分析技术。

这些限制促使人们探索高场下液态 DNP 的其他核目标，其中 19F 是一个特别有吸引力的候选者。虽然 19F NMR 的应用范围可能不如 1H NMR 较广，但它提供了几个优势，使其成为一种强大的分析工具。19F 核具有 100% 的自然丰度，参与了许多药物和环境上重要的化学结构，并且表现出广泛的化学位移分散，这使得高光谱分辨率成为可能，便于进行详细的结构和动态分析。(59) 这些特性使 DNP 增强的 19F NMR 成为一种有吸引力的分析方法。许多报告成功展示了在相对较低（0.35–3.4 T）和较高（5–9.4 T）磁场下的 DNP 增强 19F NMR；(47,48,60?69) 研究也展示了固态下的高场 19F DNP。(70?74) 由于电子-19F 的标量耦合能够在高拉莫频率下支持有效的 19F DNP，这项技术在高场液态研究中的适用性很有前景。(36,68,69) 这与 1H DNP 的情况不同，后者几乎完全依赖于偶极耦合机制，在高磁场下的液体中效果不佳。

液态 19F DNP 研究发现 TEMPO、galvinoxyl 及其衍生物是有效的极化自由基，特别是对于芳香族 19F 位点。(47,69) 本研究通过使用相对较大的样品体积（约 70 μL）扩展了这些努力。为此，将各种有机小分子溶解在非极性、微波吸收低的溶剂中，如 p-二甲苯-d10、甲苯-d8 和 CCl4。然后在 14.1 T 的条件下进行测量，这是迄今为止在液体中检测到的最高 DNP NMR 场强，并依赖于基于电子-19F 标量耦合的 DNP，BDPA 作为极化剂。与基于硝基的自由基相比，BDPA 有几个优势，包括单一的、相对较窄的 EPR 谱线，避免了由氮超精细耦合引起的分裂。(75?77) 这有助于更高效、均匀的微波饱和。此外，BDPA 在高场下表现出相对较长的电子自旋松弛时间 T1e 和 T2e，从而促进了微波驱动的电子饱和和核极化的积累。(78?80) BDPA 还价格低廉、相对稳定且疏水，适用于有机溶剂，不会迅速降解或发生副反应。最后，由于没有强氢键或质子交换，它最小化了外来松弛路径，最大限度地增强了 DNP 对附近核的交叉松弛。在 14.1 T 下对含有 19F 的样品进行测试时，观察到多种商业可用化合物和药物的信号增强幅度高达 37 倍，尤其是芳香族氟碳化合物，其增强效果比脂族化合物更明显。这些结果的含义、这些大样本/高场增强的机制以及该方法在实际和可扩展应用中的潜在扩展将在下文中简要讨论。

2. 实验部分
所有化学品均从 Millipore-Sigma 购得，未经进一步纯化即使用。研究的化合物包括六氟苯（HFB）；2,4,5-三氟苯甲醛（2,4,5-TFBA）；氟苯（FB）；4,4′-二氟苯甲酮（4,4′-DFBP）；3′,4′,5′-三氟丙酮（3′,4′,5′-TFPP）；5-氟-1-茚酮（5-FIA）；1H,1H,2H-全氟-1-己烯（PF-1-hexene）；全氟十一烷（PFD）；2-(三氟甲基)喹啉（2-TFMQ）；二乙基氟马来酸酯（DEFMal）；以及地塞米松（DEX）。选择这些含 19F 的分子是为了系统地研究分子结构如何影响高场下的 19F DNP；特别是脂族和芳香族框架之间的差异、自由基对 19F 位点的可达性（外围与内部嵌入），以及决定自由基-分析物相遇是空间上有利的还是受阻的结构特征。测试溶液是通过在约 70 μL 的 CCl4 或 p-二甲苯-d10 中溶解 20–40 mM 的 BDPA 自由基和 270–540 mM 的含 19F 的目标分子来制备的。尽管对于后者溶剂，ODNP 增强效果最高，并且随着 BDPA 浓度的增加而持续增强，但由于溶解问题，我们无法将这种自由基的浓度超过 40 mM。每种溶液都被转移到氟化乙烯丙烯（FEP）管中（外径 3 mm，内径 2 mm），并通过热焊接密封。在焊接之前，所有样品都在氮气氛围下至少进行了六次冻-抽-融循环以去除溶解的氧气。密封的管子随后在氮气冲洗的手套箱中存放几天，以便进一步扩散并去除塑料 FEP 壁中的残余氧气。(81) 尽管 BDPA 在溶液中可能会降解，(82) 在这些条件和我们实验的整个过程中，我们没有观察到任何会妨碍测量增强的现象。FEP 管子在重复用于不同样品的 ODNP NMR 时没有出现变形或形状损失。

液态 19F DNP NMR 实验使用了 14.1 T 的 Oxford NMR 磁体，该磁体连接到一个配置为 565.1 MHz 19F 检测的 Tecmag Redstone NMR 控制台。微波（μw）照射采用第二谐波模式（395 GHz），由 Bruker-CPI 回旋加速器提供，μw 功率和极化通过准光学平台进行引导和控制。(38) 一个快速作用的快门与脉冲程序序列同步，用于快速打开或关闭通往样品的 μw 射线路径。虽然回旋加速器的输出通常为 30 W，但此处描述的 ODNP 实验中使用的平均 μw 功率约为 13 W，由准光学设置调节。

所使用的 NMR 探头是改进的 Varian HX 600 MHz 宽带 5 mm 液态探头，配备了定制的扫描线圈，用于针对不同的自由基，如先前的出版物中所述。(38,42,46,83) 该探头的 1H 通道被调谐以覆盖实验中使用的 19F 拉莫频率。19F 的 90° RF 脉冲长度为 50 μs，随后的接收器死时间为约 200 μs；这个延迟比 FEP 的 T2 衰减时间（约 20 μs）长，因此没有检测到管子背景。化学位移尺度以 C6F6 峰为准，其共振 δ = ?164 ppm，相对于 CFCl3 = 0 ppm。T1 测量使用了饱和-恢复脉冲后跟一个哈恩回波序列（由于相对较长的死时间而插入，也用于常规 DNP 实验）。饱和恢复延迟时间也被用作 μw 开启期（快门打开），而在所有其他时间间隔（包括采集延迟 d1）期间 μw 射线被阻断（快门关闭）。所有 DNP 实验中 μw 开启 : μw 关闭的时间比保持在 1:6～1:8，以便在微波样品加热后有足够的冷却时间。所有实验都在使用 10 v/v% 的 HFB 溶液在 p-二甲苯-d10 中进行磁场调谐后进行。DNP 建立曲线通过 2–4 次扫描获得，所得数据直接用于建立分析。相比之下，在没有微波照射的情况下进行的 19F T1 测量——无论是纯样品还是含有 BDPA 的样品——使用 16–32 次扫描来提高灵敏度。含 BDPA 和不含 BDPA 的样品的分析物浓度保持一致。饱和-恢复实验使用了 80 个连续的 90° 脉冲，每个脉冲之间有 1 ms 的延迟，以实现自旋饱和。

对于 19F 奥弗豪泽 DNP，自由基浓度和分析物溶质浓度都是使用 p-二甲苯-d10 中的 HFB 优化的，结果在支持信息中提供（图 S1）。基于这些测量，确定了最佳条件为大约 40 mM BDPA 和 540 mM HFB，这些条件与 Reinhard 等人报告的条件相似。(48) 所有其他化合物的后续 DNP 实验都是使用这些浓度作为参考值进行的。

由 FTS 温度控制单元（SP Industries Inc.）提供的连续 N2 气流以 30 L min–1 的速率供应，并通过微波波导从探头的底部进入样品室，以确保有效的温度调节。这种连续的 N2 流也保持了 DNP 实验期间样品室内的无氧环境。为了确定微波照射在 DNP 实验期间引起的样品加热程度，在关闭奥弗豪泽效应（off-OE）条件下（ω0(19F) = 564.965 MHz；ω0(1H) = 601 MHz；ω0(13C) = 151.2 MHz）进行了温度校准研究。温度校准样品由大约 10 v/v% 的 13CCl4 和 13CHCl3 溶解在 p-二甲苯-d10 中组成，同时还加入了 40 mM 的 BDPA，以尽可能准确地再现实际的 DNP 实验条件。通过跟踪 13CCl4 和 13CHCl3 之间的 13C 化学位移差随微波照射时间的变化来监测样品中的温度变化。(42) 例如，在 40 s 的微波照射后（接着在 -30 °C 的 FTS 设置下冷却八倍，N2 流速为 30 L min–1），样品温度上升到了大约 150 °C。据报道，在加压条件下，即使在溶剂沸点以上，液态仍能保持过热状态；（54）我们没有观察到样品沸腾的迹象。温度校准实验的更多细节见支持信息（图S3）。辅助的395 GHz连续波（CW）EPR光谱是使用自制的透射型光谱仪记录的，该光谱仪没有共振腔。（84）用于此实验的超导磁体（Oxford Instruments）可以生成高达16 T的磁场。微波源由一个相位锁定振荡器（Virginia Diodes）组成，其可调 fundamental 频率为8–20 GHz，随后通过频率倍增链产生更高阶谐波。采用了0.02 mT s–1的缓慢磁场扫描速率，并仔细最小化了磁场调制幅度，直到没有检测到光谱线形的明显失真。CW EPR光谱使用Matlab软件包Easyspin和routine garlic进行拟合。（85）为了测量BDPA的T1e和T2e，将其溶解在30 μL的脱气甲苯-d8中，浓度为40 mM，并装入FEP管中。然后在94 GHz（3.35 T）下使用高功率、高场脉冲EPR光谱仪（位于美国佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室NHMFL）测量电子自旋弛豫时间。这台光谱仪是G. Smith在圣安德鲁斯大学开发的仪器的一个复制品。（86）T2e是通过变量延迟的Hahn回波脉冲序列确定的，而T1e则是通过在Hahn回波序列前加入一个初始饱和脉冲，然后是可变恢复延迟来测量的。由于HiPER系统具有高峰值微波功率（>1000 W），因此使用了持续时间为25 ns的90°脉冲。样品温度通过氦气流维持在27 °C。尽管使用了高峰值功率，但由于高功率微波放大器造成的长回收延迟（>100 μs），实际输送到样品的平均微波功率较低（约0.5 W）。这种低平均功率结合主动温度控制，确保了实验过程中样品温度的稳定。虽然这些频率和温度与进行DNP NMR实验时使用的不同，但它们仍然可以提供有价值的数据，以推断BDPA电子自旋转移在高场下的饱和程度。（89）ODNP信号增长曲线使用函数形式（1,2）??(??)=??(1????????????)进行拟合。（1）其中A对应于增长曲线的平台区域的最大增强幅度，m ≤ 1是一个经验性缩放因子，用于提高拟合的质量，RB是DNP信号增长率（详见支持信息）。尽管这个表达式与理想化的形式A(1 – e–tRB)有所不同，但它仍然是一个单指数函数，提取的RB值保持了其物理意义。当饱和恢复脉冲块没有完全破坏初始磁化时，可能会出现这种修改后的拟合形式，从而留下一个非零的纵向分量。（1,2）在我们的实验中，通过重复一个包含90°脉冲后跟1 ms延迟的块来实现饱和，共重复了80～120次。然后进行恢复实验——在此期间也施加了微波照射——恢复时间也是可变的。即使在零恢复时间的情况下，仍然会留下非常小的残余信号，导致增长曲线从一个非零值开始。为了考虑这种常见的直流偏移，在拟合之前从所有数据点均匀减去一个固定基线值，之后使用方程1.3分析增长曲线。结果3.1. 整体19F DNP特征图1A显示了在含有40 mM BDPA和540 mM六氟苯（HFB）的70 μL溶液在p-xylene-d10中获得的19F ODNP场扫描曲线。扫描是通过改变自制的扫描线圈中的电流（-0.15 A到+0.15 A）来完成的，相当于围绕19F拉莫尔频率565.083 MHz的564.95–565.20 MHz（14.10541–14.11165 T）频率范围。所得到的DNP频率扫描曲线在19F频率565.083 MHz处达到最大值，半高宽（PWHH）约为1.497 mT（19F单位下为60 kHz），基线宽度约为2.5 mT（19F单位下为100 kHz）——与在395 GHz下测量的BDPA的EPR线宽大致相当（见图2）。图1B展示了在最佳DNP场（19F为565.083 MHz；14.10874 T）下，对于两种不同的μw场强（B1e = 0.063 mT和0.04 mT）测量的μw-on和μw-off信号增长情况。（42）对于这些实验，在19F Hahn-回波检测序列（τ = 500 μs）之前，先有一个由80个90° 19F RF脉冲组成的饱和恢复块，脉冲之间间隔1 ms，并且有一个可变的恢复时间。这个可变的恢复时间也作为微波照射（μw-on）时间。为了防止样品过热，在连续扫描之间施加了一个比饱和恢复（μw on）时间长八倍的回收延迟。在没有微波照射的情况下，纵向弛豫率为R1 = 0.91 ± 0.08s-1，而在微波照射下的极化增长率为RB = 0.27 ± 0.02s-1和0.19 ± 0.03s-1，分别对应于B1e为0.063 mT和0.40 mT。尽管在微波照射下的极化增长速率较慢（RB < R1），但两种B1e场强都产生了相当的DNP增强效果，ε = Ion/Ioff = 37 ± 1；这表明在这些条件下BDPA自由基的饱和度不是限制因素。在开启OE条件下，微波照射使19F的PWHH从大约40 Hz增加到约120 Hz；在关闭OE条件下，由于我们的场扫描线圈设置的限制，PWHH约为120–130 Hz，并且在微波照射后仅进一步拓宽了约10 Hz。在所有情况下，即使在所有条件下，共振仍然相对清晰（见图1C）。图1. 540 mM六氟苯（HFB）和40 mM BDPA共溶于70 μL p-xylene-d10中获得的19F液态Overhauser DNP（ODNP）结果。（A）通过在照射恒定395 GHz微波束5秒的同时改变磁场，记录了19F Overhauser DNP增强场的场谱曲线。最大增强发生在19F拉莫尔频率565.083 MHz处，DNP共振曲线的中心在半高处的峰宽（PWWH）约为60 kHz，在基线处的峰宽约为100 kHz（19F单位下为100 kHz）——与在395 GHz下测量的BDPA的EPR线宽大致匹配（见图2）。图1B展示了在最佳DNP场（19F为565.083 MHz；14.10874 T）下，对于两种不同的μw场强（B1e = 0.063 mT和0.04 mT）测量的μw-on和μw-off信号增长情况。（42）对于这些实验，在19F Hahn-回波检测序列（τ = 500 μs）之前，先有一个由80个90° 19F RF脉冲组成的饱和恢复块，脉冲之间间隔1 ms，并且有一个可变的恢复期。这个可变的恢复期也作为微波照射（μw-on）时间。为了防止样品过热，在连续扫描之间施加了一个比饱和恢复（μw on）时间长八倍的回收延迟。在没有微波照射的情况下，纵向弛豫率为R1 = 0.91 ± 0.08s-1，而在微波照射下的极化增长率为RB = 0.27 ± 0.02s-1和0.19 ± 0.03s-1，分别对应于B1e为0.063 mT和0.40 mT。尽管在微波照射下的极化增长速率较慢（RB < R1），但两种B1e场强都产生了相当的DNP增强效果，ε = Ion/Ioff = 37 ± 1；这表明在这些条件下BDPA自由基的饱和度不是限制因素。在开启OE条件下，微波照射使19F的PWHH从大约40 Hz增加到约120 Hz；在关闭OE条件下，由于场扫描线圈设置的限制，PWHH约为120–130 Hz，并且在微波照射后仅进一步拓宽了约10 Hz。在所有情况下，即使在所有条件下，共振仍然相对清晰（见图1C）。图1如图1所示，在540 mM六氟苯（HFB）和40 mM BDPA共溶于70 μL p-xylene-d10中获得的19F液态Overhauser DNP（ODNP）结果。（A）通过在照射恒定395 GHz微波束5秒的同时改变磁场，记录了19F Overhauser DNP增强的场谱曲线。最大增强发生在19F拉莫尔频率565.083 MHz处，DNP共振曲线的中心在半高处的峰宽（PWWH）约为60 kHz，在基线处的峰宽约为100 kHz。（B）通过在最佳OE频率（565.083 MHz）下改变微波照射时间（0.04 mT（红色）和0.063 mT（粉色）得到的DNP增长曲线。相应的微波关闭（黑色和蓝色）数据也显示出来。最大信号增强值为ε = 37 ± 1。由于样品加热，0.63 G曲线在11秒后被截断。（C）在最佳OE条件（565.083 MHz）下获得的代表性19F光谱，包括有无微波照射的情况（22秒，开启/关闭）。（D）在关闭OE频率（564.965 MHz）下记录的微波开启/关闭增长曲线，此时没有观察到增强效应，证实了（B）中的信号增加仅来自Overhauser效应。（E）在564.965 MHz下对应的开启/关闭19F光谱，显示没有增强效应。（F）在无微波照射的情况下测量的19F自旋-晶格T1弛豫增长曲线，比较了含有和不含40 mM BDPA的溶液。添加BDPA使T1从2.7秒（R1 = 0.37 Hz）缩短到1.1秒（R1 = 0.91 Hz），这与自由基引入的增强弛豫途径一致。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片图2图2. 在p-xylene-d10中BDPA自由基溶液的EPR光谱和弛豫测量。（A）在5、10、20和40 mM浓度下BDPA的实验和模拟（EasySpin）CW EPR光谱。在20 mM以下，电子-1H超精细结构可见，而超过40 mM后线宽成为主导。（B–E）使用94 GHz HiPER光谱仪在300 K下对40 mM BDPA的30 μL样品在甲苯-d8中进行的脉冲EPR测量，操作模式为Hahn-echo。（B）通过监测共振场内的积分回波强度来记录的频率扫描EPR曲线。（C）通过改变回波延迟时间（2τ）测量的自旋-自旋弛豫衰减，得到T2e = 43.0 ± 0.4 ns。（D）从反演-恢复实验确定的自旋-晶格弛豫（T1e）为808 ± 17 ns。对于所有脉冲实验，π/2和π脉冲长度分别约为20 ns和40 ns。（E）微波摆动曲线的实部和虚部显示了由于弛豫引起的衰减。从这些摆动曲线中，确定π/2和π脉冲长度分别约为20 ns和40 ns。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片如图1D所示，在DNP增强区域（图1A）之外的关闭Overhauser效应（off-OE）条件下，没有显著信号变化——实际上，由于热效应，μw-on信号略小于μw-off信号。在μw-on、off-OE照射下的饱和恢复增长率明显慢于未施加微波时的内在纵向弛豫率：R1 = 0.95 ± 0.13s-1，RBμw-on = 0.25 ± 0.05 s–1。这可能反映了由微波照射引起的T1延长；具体来说，是由于溶剂粘度的降低缩短了分子翻滚相关时间，使19F进入了极窄化区域。通过比较开启OE（图1B–1C）和关闭OE（图1D–1E）的测量结果，还可以注意到在开启OE微波照射下19F峰出现了一个小幅度（约10 Hz）的移动；我们认为这种移动主要是由于微波功率依赖性的变化导致电子跃迁部分饱和（饱和因子<1）。（87）注意，在关闭OE条件下的NMR线宽（约130–140 Hz）比开启OE条件下的线宽（约40–120 Hz）更宽。这种在关闭OE条件下的宽化并非由微波照射引起。相反，它是由于建立关闭OE条件需要通过我们的扫描线圈传递大约280 mA的电流（而在开启OE条件下电流约为0 mA）；这种线圈电流降低了磁场均匀性，从而导致观察到的线宽增加。3.2. 饱和度和泄漏特性图1F展示了在没有微波照射的情况下，对于含有和不含有40 mM BDPA的540 mM HFB样品获得的19F T1弛豫结果，从而可以评估泄漏因子并量化电子-19F交叉弛豫对整体弛豫过程的贡献。测得的弛豫率分别为R1 = 0.37 ± 0.04 s–1（不含BDPA）和R1 = 0.91 ± 0.08 s–1（含有BDPA），相应的泄漏因子为f = 1-R1（不含BDPA）/R1（含有BDPA）= 0.59，表明大约59%的总19F弛豫来自与BDPA自由基中未配对电子的相互作用。图2A展示了在395 GHz（用于DNP照射的相同微波频率）下获得的实验EPR光谱以及相应的EasySpin模拟结果，样品保持恒定的0.54 M HFB浓度，但含有不同的BDPA浓度（5、10、20和40 mM）在p-xylene-d10中。EasySpin模拟的详细描述和从最佳拟合模拟中得到的g张量参数见表S3（支持信息，第7节）。在BDPA浓度≤20 mM时，可以看到明显的电子-1H超精细分裂，而在40 mM时，光谱特征显得宽化和不清晰。（88）在40 mM BDPA样品中，超精细结构被淹没，显示出最高的DNP增强效果（见图S1）。图2B–2E显示了使用NHMFL的HiPER脉冲EPR光谱仪在94 GHz下对40 mM BDPA溶液在甲苯-d8中测得的T1e和T2e弛豫测量结果。在这种情况下，不是通过从EPR线宽估计电子弛豫参数来获得T2e，然后从微波饱和曲线推导出T1eT2e的乘积，而是分别使用脉冲反演恢复和自旋-回波EPR技术独立确定了T1e和T2e。测得的T1e和T2e值分别为808 ± 17 ns和43.0 ± 0.4 ns。值得注意的是，这些值大约是使用类似脉冲方法在3.4T下测量得到的15N-Tempone-d16值的两倍。(39) 在3.4T下获得的松弛参数可以用来计算14.1T下的电子饱和度，假设T1e在约3T以上表现出平坦的场依赖性，(89) 并且对于浓度达到数十mM的自由基，T2e可能会减少约2倍。(82) 饱和度因子s可以计算为??=??2????21????1????2??1+??2????21????1????2??s=γe2B1e2T1eT2e1+γe2B1e2T1eT2e(2) 对于微波B1e场强为0.04 mT和0.063 mT（图1B），这些值分别约为0.63和0.81。3.3. BDPA驱动的14.1T 19F DNP NMR用于芳香和脂肪族位点图3调查了含有芳香19F核的多种分子的液态ODNP结果。所有这些分子在适当的微波照射下都表现出显著的信号增强，这与HFB观察到的行为一致。增强因子（ε）分别为28 ± 2和31 ± 2（对于2,4,5-TFBA（图3B–C），14.8 ± 0.3（对于FB（图3D），29 ± 2（对于4,4′-DFBP（图3E），21 ± 1和14.8 ± 0.9（对于3′,4′,5′-TFPP（图3F–G），以及31.0 ± 0.8（对于5-FIA（图3H）。与HFB的情况类似，所有测试的芳香19F位点——无论是单氟、双氟还是多氟系统——都显示出比在没有微波的情况下更慢的自发松弛速率；即RB < R1。相应的增强/松弛速率比RB/R1在0.1到0.2之间变化，表明电子到19F核的极化转移比内在的核松弛慢，因此可能受到限制。芳香19F核的显著ODNP增强可以归因于芳香环和BDPA自由基之间的π–π堆叠相互作用。(48) 这些相互作用可能减少了电子-19F的距离和/或增加了它们的接触时间，促进了标量（费米接触）耦合。相对稳定的π–π加合物的形成也可能有助于增强低频光谱密度，这些加合物比孤立分子旋转得更慢（见讨论）。图3图3. 在14.1T下获得的芳香体系中19F核的ODNP结果。显示了液态19F ODNP增强曲线（左侧面板）以及分别用μw-on（红色）和μw-off（蓝色）记录的相应19F NMR光谱（右侧面板）：(A) HFB，(B–C) 2,4,5-TFBA，(D) FB，(E) 4,4′-DFBP，(F–G) 3′,4′,5′-TFPP，以及(H) 5-FIA。对于每个样品，测量了DNP增强的19F信号强度作为微波照射时间（tμw）的函数。这些照射时间与饱和恢复方案同步；每个tμw使用了8倍的延长延迟（d1）以保持热稳定性并确保样品冷却。增强曲线（红色圆圈）被拟合为单指数函数，其速率常数RB和R1分别代表μw-on和μw-off条件下的增强和松弛速率。在芳香化合物中观察到了显著的19F DNP增强（ε），范围从ε ≈ 15 ± 1到37 ± 1，如每个面板中所标记的。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片图4展示了在脂肪族环境中含有氟原子的几种化合物的液态19F ODNP结果。这些脂肪族19F位点的DNP增强因子（ε）比其芳香对应物小得多。测量的DNP增强因子（ε）根据分子位点和化合物的不同而变化，范围从3.4到14.2。这些较低的平均增强可能反映了位于脂肪族官能团中的19F核不参与π-堆叠相互作用，因此电子重叠较少，电子-核接触时间也较短（参见支持信息中的芳香和脂肪族19F位点的DFT基比较）。另一方面，与芳香19F位点的情况类似，脂肪族氟的增强速率RB似乎比它们的芳香对应物快：对于芳香19F位点，RB ≈ (0.1～0.3) ± (0.01～0.03) s–1，而对脂肪族19F的类似分析显示RB ≈ (0.38～0.89) ± (0.01～0.15) s–1。脂肪族位点的RB/R1比率相对接近于一，范围从0.42到0.99。这可能反映了脂肪族19F部分的增强灵活性：这些速率似乎对温度不太敏感，因此在较短和较长的μw-on条件下只有微小差异，并且在μw诱导的温度升高时T1的增加也很小。图4图4. 在14.1T下获得的脂肪族化合物中19F核的ODNP结果。显示了液态19F ODNP增强曲线（左侧面板）以及分别在微波照射开启（红色）和关闭（蓝色）时记录的相应19F NMR光谱（右侧面板）：(A, B) 1H,1H,2H-全氟-1-己烯，(C, D) 全氟十烷，(E) 2-(三氟甲基)喹啉，(F) 二乙基氟马隆酸，以及(G) 地塞米松。对于每种样品，测量了DNP增强的19F信号强度作为tμw的函数，并将其拟合为指数函数，如图3中解释的。在芳香化合物中观察到了显著的19F DNP增强（ε），范围从ε ≈ 3–14，如每个面板中所标记的。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片表1提供了对本文研究的所有化合物的这些特征的更全面描述，包括观察到的19F ODNP增强因子（ε）、纯分析物的纵向松弛率R1(pure)，以及掺有40 mM BDPA的样品在有无微波照射情况下测量的松弛率（R1(μw-off)和RB(μw-on)）。根据这些松弛率，根据f = 1 – R1(pure)/R1(μw-off)计算了每个系统的泄漏因子。获得的泄漏因子范围为f = 0.43–0.86，这与各种分子之间的有效电子-19F交叉松弛一致。假设饱和因子s = 0.63（从含有40 mM BDPA的540 mM HFB溶液中确定，其中B1e = 0.04 mT），还推导出所有测量化合物的相应耦合因子（ξs）（见表1）。得到的耦合因子很小，范围从?0.067到?0.14。表1. 本研究中所有化合物的19F参数摘要样品R1(pure)R1(μw-off)RB(μw-on)εcfξHFBa0.37 ± 0.040.91 ± 0.080.19 ± 0.0337 ± 1d0.59 ± 0.080.14 ± 0.022,4,5-TFBA:?4a0.4 ± 0.10.7 ± 0.20.11 ± 0.0228 ± 20.4 ± 0.20.15 ± 0.082,4,5-TFBA:?2,5a0.36 ± 0.060.7 ± 0.20.13 ± 0.0231 ± 20.5 ± 0.20.14 ± 0.064,4′-DFBPa0.39 ± 0.020.82 ± 0.080.15 ± 0.0229 ± 20.52 ± 0.060.12 ± 0.023′,4′,5′-TFP:?4′a0.41 ± 0.081.0 ± 0.10.10 ± 0.0215 ± 10.6 ± 0.10.05 ± 0.013′,4′,5′-TFP:?3′,5′a0.33 ± 0.041.1 ± 0.10.10 ± 0.0121 ± 10.7 ± 0.10.06 ± 0.01FBa0.09 ± 0.010.40 ± 0.050.24 ± 0.0214.8 ± 0.30.8 ± 0.10.041 ± 0.0055-FIAa0.28 ± 0.010.9 ± 0.10.12 ± 0.0131 ± 10.69 ± 0.080.10 ± 0.012-TFMQa0.32 ± 0.030.9 ± 0.10.89 ± 0.075.5 ± 0.10.64 ± 0.090.016 ± 0.002DEXa0.82 ± 0.090.85 ± 0.090.75 ± 0.154.3 ± 0.40.035 ± 0.0050.21 ± 0.04HFBb0.25 ± 0.051.4 ± 0.20.18 ± 0.0516 ± 10.8 ± 0.20.04 ± 0.014,4′-DFBPb0.22 ± 0.031.6 ± 0.20.3 ± 0.115 ± 10.9 ± 0.20.036 ± 0.0085-FIAb0.29 ± 0.041.0 ± 0.20.3 ± 0.119 ± 10.7 ± 0.20.06 ± 0.02DEFMb0.19 ± 0.021.01 ± 0.170.57 ± 0.063.4 ± 0.10.8 ± 0.20.007 ± 0.002PFD: bridge C–Fb0.15 ± 0.010.52 ± 0.100.43 ± 0.0712.5 ± 0.60.7 ± 0.10.037 ± 0.006PFD: CF2b0.30 ± 0.020.9 ± 0.20.52 ± 0.074.5 ± 0.70.7 ± 0.20.012 ± 0.004PF-1-己烯: CF3b0.22 ± 0.020.56 ± 0.200.40 ± 0.1412.7 ± 0.90.6 ± 0.20.04 ± 0.02PF-1-己烯: CF2b0.32 ± 0.040.9 ± 0.20.38 ± 0.0614.2 ± 0.70.6 ± 0.20.05 ± 0.02a在p-二甲苯-d10中.b在CCl4中.c. d误差来自光谱灵敏度表1还提供了在CCl4中测量的HFB、4,4′-DFBP和5-FIA的额外实验数据，这些替代溶剂测量的详细信息在支持信息中提供（例如，图S2）。尽管在用CCl4替换p-二甲苯-d10时仍然观察到显著的增强（同时保持BDPA和溶质浓度以及总样品体积不变），但这些ε值大约减半：HFB从37 ± 1变为16 ± 1；4,4′-DFBP从29 ± 2变为15 ± 1；5-FIA从31 ± 1变为19 ± 1。我们主要将其归因于从p-二甲苯-d10到CCl4的耦合因子降低，其中| ξ |从HFB的0.14变为0.041，4,4′-DFBP的0.12变为0.037，5-FIA的0.10变为0.06（假设饱和因子相同）。同时，所有分析物在CCl4中的泄漏因子都有所增加（HFB：0.59变为0.82；4,4′-DFBP：0.52变为0.86；5-FIA：0.69变为0.71）。这表明在这些场强下，碳四氯化物中出现了增强的顺磁松弛，但极化转移效率降低。看来芳香溶剂促进了更有效的电子-19F标量耦合，可能是通过BDPA-溶质接触实现的，这种接触由自由基和芳香溶剂或分析物之间的π-π相互作用促进，或者通过更合适的时间尺度实现了更有效的电子-核交叉松弛。重要的是，p-二甲苯-d10还提供了更好的温度范围，因为其沸点（138.4 °C）高于CCl4（76.7 °C），从而提高了对长时间微波照射的耐受性，并且更适合高功率液态DNP实验。4. 讨论总体而言，这项研究证实了将基于标量耦合的低场测量扩展到14.1 T场的实用性。借助基于回旋体的照射、合适的定向液体探针头，并使用BDPA作为极化自由基，这些实验可以在相对较大的有机样品体积上成功进行，同时保持大约0.2 ppm的分辨率。在芳香和脂肪族19F光谱中都观察到了增强效果，芳香化合物通常表现出更大的效应（ε ≈ 15–37），但增强速率较慢（Tb ≈ 4 – 10 s），而脂肪族位点显示出较小的增强效果（ε ≈ 3–14），但DNP增强速率较快（Tb ≈ 1 – 3 s）。测试样品的耦合因子通常较小（|ξ| ～ 0.1），与理论上的最大可能值（|ξ| = 1）相比，DNP转移效率较低。然而，考虑到最大的理论电子到19F ODNP增强约为350，这些ξ值解释了实验中观察到的显著增强。为了更好地理解芳香和脂肪族19F位点之间的ODNP性能的显著差异，计算了几种BDPA-溶质系统的几何优化结构（图5和支持信息）。(90) 对于BDPA/HFB复合物（图5A），计算始终收敛到HFB环与BDPA的一个芳香平面平行的配置，形成π–π堆叠排列。(91?93) 这些堆叠取向表明分子之间有关联，这将增加有效的电子-核交叉松弛。由π-堆叠驱动的瞬态相互作用与实验观察到的芳香分析物的较大19F ODNP标量增强（20–37×）一致。BDPA/PF-1-己烯和BDPA/PFD系统的情况有所不同（图5B-5C）：优化后的结构显示BDPA与己烯或十烷分子中的脂肪族氟之间没有类似的密切接触排列。较大的电子-19F分离和缺乏如π-π堆叠这样的关联作用，会产生一个更短暂的、关联较弱的复合物。图5图5. 代表性的几何优化结构展示了BDPA与(A) 六氟苯（HFB），(B) 1H,1H,2H-全氟-1-己烯（PF-1-己烯）和(C) 全氟十烷（PFD）之间的分子关联。对于BDPA/HFB复合物，优化后的几何结构表明芳香HFB环优先与BDPA的芳香框架形成π–π堆叠相互作用。这种配置应产生相对较短的电子-19F距离和适合的自由基与分析物之间的接触时间，这与芳香系统中观察到的较高19F DNP增强一致。(B,C) 相比之下，BDPA/PF-1-己烯和BDPA/PFD复合物的几何优化显示BDPA与目标分子之间没有类似的密切接触。每个代表性结构下方显示了针对每种自由基/目标对的33种排列的计算所得的相对能量分布，说明了HFB情况下与BDPA关联的低能量结构所占的相对较大比例。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片为了进一步探讨这一点，通过DFT计算了芳香分子HFB和脂肪族分子PFD和PF-1-己烯（ each与BDPA自由基配对）的19F的分子间超精细耦合。(94) 在为每个系统计算的33种结构中，BDPA/HFB系统的13种构型的Erel低于热能（Erel < 2.48 kJ/mol），并且有一组相似能量的构型，其Erel约为0.9 kJ/mol。相比之下，对于BDPA/PF-1-己烯和BDPA/PFD，分别只有4种和5种构型的Erel低于2.48 kJ/mol（图5，下部面板）。与之前关于HFB和碳基自由基的研究结果一致，(48,62) 这些计算表明BDPA和HFB倾向于形成一个由π-堆叠相互作用稳定的瞬态复合物。正如在其他系统中所展示的，(91?93) 这些瞬态的非共价相互作用有利于提高DNP增强效应，正如在本研究中BDPA/HFB对所观察到的那样。支持信息图S5通过描述每个计算构象的相对能量函数下的超精细耦合来进一步阐明这一点。关于这些超精细耦合的幅度，有趣的是，它们与有效的DNP增强效应并没有直接相关性：BDPA/PF-1-Hexene的最大超精细耦合为1.1 MHz，BDPA/HFB为1.8 MHz，而BDPA/PFD则高达7.7 MHz。这表明，在静态模拟中未考虑的自由基/分析物对的动态过程也对定义自旋极化转移过程的效率至关重要。

在液态19F ODNP研究中，还观察到一个显著现象：在微波辐射下19F的T1弛豫时间明显增加。我们认为这种行为主要是由于在极窄谱线范围内，由于分子的翻转相关时间τc随样品温度的升高而减小（这是由于微波吸收所致），从而导致T1变长。在标准的Bloembergen–Purcell–Pound (BPP)模型中，(95) 核自旋-晶格弛豫率1/T1源自与分子运动产生的波动局部磁场的耦合，并由光谱密度函数J(ω)控制，该函数依赖于τc：1??1∝??(??0)=????1+??20??2??1T1∝J(ω0)=τc1+ω02τc2(3)。在我们的小分子和非粘性系统中（ω0 τc ? 1），随着分子翻转速度的加快（即τc的减小），1/T1也会减小。因此，微波引起的样品加热加速了分子运动，从而导致T1的增加。这种效应在芳香体系中可能比在烷烃体系中更为显著，因为芳香分析物可以与BDPA自由基形成π–π堆叠相互作用，这些加合物的整体翻转速度相对较慢。随着微波辐射的开始和样品温度的升高，增强的布朗运动会破坏π–π相互作用，从而降低体系的粘度，加快分子翻转以及平动扩散。(96) 这些效应促进了自由基和溶质分子之间更频繁的相遇，即使它们的结合是短暂的。相比之下，烷烃体系缺乏与BDPA的特定π–π堆叠相互作用，因此在低温和高温条件下的分子翻转速率差异较小。结果，微波引起的T1延长以及DNP极化积累速率的减缓在烷烃分析物中不那么明显。这可能解释了为什么微波引起的加热——尽管可能对BDPA-溶质结合造成破坏，从而对Overhauser效应（OE）产生不利影响——并不会导致ODNP平台随着辐射时间的增加而相应降低（见图3和图4）。实际上，似乎有两种相互竞争的过程在起作用：一方面是自由基-溶质结合的破坏，另一方面是分子翻转和平动扩散的增强。(96) 这些相反的效应可能会达到动态平衡，使得ODNP增强效率仅弱依赖于温度，甚至可能完全不依赖于温度。

对于末端的?CF3基团，未经微波辐射时的纵向弛豫率R1（0.90 ± 0.10 s–1）和在微波辐射下的极化积累率RB（0.89 ± 0.07 s–1）基本上是相同的。这种行为可以归因于CF3基团围绕其C3对称轴的极快轴向旋转，从而产生了额外的弛豫机制，如自旋旋转，这些机制在有无微波辐射的情况下几乎相同。

**结论**

尽管本研究中获得的电子对19F Overhauser DNP增强效应（高达37倍）仍低于理论最大值，但这些结果在高场液态DNP中仍然具有重要意义。这些增强效应是在14.1 T下使用相对较大的样品体积，通过基于改良的传统液态NMR探针实现的。当使用BDPA作为极化剂时，芳香族氟化溶质的增强效果明显优于烷烃类19F溶质，反映了由电子-核标量耦合效率和不同的自由基-溶质相互作用所支配的不同机制。从分析潜力来看，假设实现ODNP NMR信号增强约为30倍，这将相对于传统19F NMR节省约1000倍的时间。然而，我们的实验在微波辐射 period 之间冷却样品所需的循环延迟大约是传统方法的10倍，导致每个时间单位的信噪比(SNR)优势下降。实际上，由于样品加热引起的线宽增加，这一增益进一步减弱，最终 hanya取得了约50倍的增益。显然，加热是一个需要改进的重要问题，同时必须确保其他参数（样品体积、匀场、填充因子）不受影响。

除了实现显著的19F信号增强外，这项研究还证实了在高磁场下对分子相互作用的机制理解仍然有效。具体来说，数据表明，在14.1 T时，溶剂环境、分子结构和自由基-溶质相互作用之间的相互作用继续主导19F ODNP的效率，其性能达到了或在某些情况下超过了在较低场强下报告的结果。对结构和溶剂的明显依赖性证实了由π-堆叠介导的微观自由基-分析物结合以及局部环境仍然是自旋极化转移的重要驱动力。这些发现验证了现有的机制原理可以可靠地应用于——并有可能用于进一步提高效率——指导高场DNP开发中的合理溶剂选择和分子设计。

尽管目前基于回旋加速器的高速液态19F DNP方法仅限于使用微波吸收较小的有机溶剂的样品系统——因此无法直接应用于水样系统——但这种方法仍然可以为检测和分析多种含氟化合物带来实质性改进。这些化合物包括药物分子以及对持久性和有害的“永久性化学”物质的环境监测，为高场液态DNP在分析和环境化学中的应用开辟了新的机会。