武汉科技大学核磁共振与分子科学交叉研究院（简称NMR-X）成立于2023年，是武汉科技大学“双一流”建设的核心内容之一，旨在通过核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）技术深度融合物理、化学、生物医学等多学科优势，打造国际领先的交叉创新平台。NMR-X配备有800、600及400 MHz三台高场强固体NMR谱仪，致力于建立高水平的核磁共振大型仪器共享平台。自成立以来，NMR-X已经取得了多项学科交叉的研究成果，本文介绍简称为“脊柱”（Selective
Polarization between INsensitivE nuclei, SPINE）的固体NMR脉冲实验新方法。
由NMR-X的杨俊、张正逢教授团队建立的SPINE方法显著提升了在超高速魔角旋转下进行13C-15N异核相关实验的效率，有效节省了实验时间。该成果已于2025年年初发表于国际化学顶级期刊《美国化学会志》（JACS）。
认识固体核磁共振与魔角旋转
NMR是我们分析物质结构的“利器”，广泛应用于化学、生物、医药和材料科学。对于可溶于水的蛋白质，科学家常用液体NMR进行研究。但对于那些难以溶解、无法结晶或在固态下才具有功能的重要生物分子，如膜蛋白、淀粉样蛋白纤维、非结晶复合物等体系，就需要请出它的兄弟——固体NMR了。
图1. 魔角旋转
固体样品最大的挑战在于分子的运动受限，导致固体NMR信号非常宽，难以得到清晰的谱图，从而影响精细结构分析。这时，魔角旋转（Magic-Angle Spinning, MAS）技术就派上了大用场。它的原理是将样品装在转子中，使转子绕着与外磁场方向呈54.736度夹角的轴进行高速旋转（图1）。在这个特定的角度下，旋转能够有效平均掉固体中导致信号变宽的强相互作用（如偶极耦合），从而显著提高谱图的分辨率。这个角度产生如此神奇的效果，似乎有某种“魔力”，因此被称为“魔角”。魔角旋转固体NMR已在膜蛋白、淀粉样蛋白纤维、高分子、无机化合物等固态物质的结构和动力学研究中被广泛应用。
超高速魔角旋转的利与弊
近年来，超高速MAS（旋转频率≥100 kHz，即600万转/分钟）技术的出现，使固体NMR 1H（氢原子）谱的分辨率得到了革命性的提升。这意味着科学家们能够用更少的样品量（例如亚毫克级别）来开展结构研究，极大地拓宽了固体NMR在生物大分子领域的应用前景。
然而，在追求超高转速以获取更高分辨率的同时，新的挑战也随之而来。传统的脉冲序列方法在超高速MAS下效率会明显下降。这严重制约了利用固体NMR分析微量蛋白样品的能力。国际同行一直致力于发展超高转速下的高效固体NMR脉冲方法。
谱学方法研究推动应用
效率提升是突破NMR实验时间瓶颈、拓展其研究边界的关键。针对超高转速下的常规方法效率低下的关键问题，研究团队基于平均哈密顿量理论，通过理论分析和NMR模拟，创新性地设计了SPINE脉冲方法（图2）。新方法将NMR信号传递效率提升近一倍，可在保持谱图质量的同时，将实验时间缩短至原来的1/3到1/10。该方法还具有优异的射频稳定性，可极大简化实验设置。新方法已在多种蛋白质体系（包括微晶蛋白GB1、大电导机械敏感离子通道MaMscL、纤维状隔膜形成蛋白SepF、β-羧基体壳的顶点蛋白CcmL）中得到验证。该成果为生物固体NMR领域提供了新的方法学支持，有望在亚毫克级蛋白质的研究中发挥关键作用，推动结构生物学和药物研发等领域的发展。
图2. SPINE与传统CP方法在100 kHz超高速魔角旋转下的对比
研究团队简介
该研究的通讯作者是杨俊教授和张正逢教授。杨俊教授是生物磁共振团队的负责人，长期开展核磁共振与疾病相关生物大分子、生物医用材料、药物小分子等的交叉研究，结合分子动力学模拟，揭示结构、动态与性能的关系，为疾病病理和药物研制提供基础。张正逢教授长期致力于固体NMR谱学方法研究（包括NMR脉冲方法开发、先进实验技术设计），并推动固体NMR新技术在生物大分子、药物分子等多种分子中的应用。研究团队近年来取得了一系列重要的方法学研究成果（图3）。非常欢迎国内外的同行进行广泛和深入的交流与合作，充分发挥这些固体NMR新技术新方法的作用。
图3. 团队近年来发展的部分固体NMR脉冲方法
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00191
