An Integrated THz System for DNP-enhanced NMR Spectroscopy

用于 DNP 增强核磁共振波谱学的集成太赫兹系统

基本信息

  • 批准号:
    8849046
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 51.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-09-05 至 2016-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The proposed research focuses on the development of a DNP-NMR system for Dynamic Nuclear Polarization (DNP) enhanced solid-state NMR spectroscopy at 400 MHz. High-resolution structures are essential to the understanding of the complex functions of bio-macromolecules and NMR spectroscopy is a major source for such information. However, the method suffers from an inherently low sensitivity and long acquisition times are required to achieve sufficient data quality. DNP, a method in which the high, thermal electron polarization is transferred to surrounding nuclei by THz irradiation of the sample, can boost the NMR sensitivity by two or three orders of magnitude. With DNP, experiments that typically require days or weeks of signal averaging can be performed in minutes or hours. It enables researchers to do experiments that are otherwise impossible to perform, such as high-precision distance measurements or recording 2D 13C-13C correlation spectra of unlabeled molecules in just hours. In this proposal we present a novel 400 MHz DNP system based on a 263 GHz gyrotron source that is integrated into the NMR magnet. Our product does not require an additional, expensive superconducting magnet. This is possible, because current (wide-bore) NMR magnets provide sufficient space right above the probe to integrate and operate the gyrotron source. This innovative gyrotron tube is specifically designed for DNP applications, provides sufficient power and has adequate frequency tuning bandwidth to eliminate the superconducting sweep coil that is necessary in other DNP systems. The presented innovations result in cost savings of >$ 0.8 million per unit and will make DNP a much more affordable method. During Phase I we will perform the mechanical and electrical design of the 263 GHz integrated THz source and select a cavity trim coil magnet assembly based on its NMR performance. During Phase II the gyrotron source will be fabricated and the complete DNP system including the low-temperature NMR probe will be integrated in the 400 MHz NMR magnet. As a result of this project, we expect a complete 400 MHz DNP system based on Bridge12's integrated gyrotron source and we expect signal enhancements of >100 in routine measurements. Although the product is initially targeted towards an academic market we expect that it will lay the foundation for a much broader acceptance of the technology in academia and industry and will bring the benefits of DNP to a much broader scientific audience.
描述(由申请人提供):拟议的研究重点是开发一种用于400 MHz动态核极化(DNP)增强固态核磁共振波谱的DNP-核磁共振系统。高分辨结构对于理解生物大分子的复杂功能是必不可少的,而核磁共振波谱是这类信息的主要来源。然而,该方法固有的低灵敏度和需要较长的采集时间才能获得足够的数据质量。DNP是一种通过太赫兹辐射将高热电子极化转移到周围原子核的方法,可以将核磁共振的灵敏度提高两到三个数量级。使用DNP,通常需要几天或几周的信号平均的实验可以在几分钟或几小时内完成。它使研究人员能够进行原本不可能进行的实验,例如高精度的距离测量或在短短几个小时内记录未标记分子的2D 13C-13C关联光谱。在这个方案中,我们提出了一种新的400 MHz DNP系统,该系统基于集成到核磁共振磁体中的263 GHz回旋源。我们的产品不需要额外的昂贵的超导磁体。这是可能的,因为电流(大口径)核磁共振磁体在探头上方提供了足够的空间来集成和操作回旋源。这种创新的回旋管是专门为DNP应用设计的,提供足够的功率和足够的频率调谐带宽,以消除其他DNP系统所需的超导扫描线圈。目前提出的创新导致每单位节省80万英镑的成本,并将使DNP成为一种更负担得起的方法。在第一阶段,我们将对263 GHz集成太赫兹源进行机械和电气设计,并根据其核磁共振性能选择腔体修整线圈磁体组件。在第二阶段,将制造回旋源,并将包括低温核磁共振探头在内的完整的DNP系统集成在400 MHz核磁共振磁体中。作为这个项目的结果,我们预计将有一个基于Bridge12‘S集成回旋管源的完整的400 MHz DNP系统,我们希望在常规测量中>100的信号增强。尽管该产品最初针对的是学术市场,但我们预计它将为学术界和工业界更广泛地接受这项技术奠定基础,并将DNP的好处带给更广泛的科学受众。

项目成果

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