适用于活细胞代谢研究的高灵敏度高分辨率微型核磁共振探头关键技术研究

Nuclear magnetic resonance (NMR), as a spectroscopic technique and a nondestructive testing method, has been unprecedentedly developed in its applications to metabolism study of living cells. How to carry out real-time NMR analysis of the complex small molecular compounds changes in cell metabolism is one of the frontier researches in the NMR research. This project proposes a novel coupled microstrips even mode (CMEM) probe design, a microfluidic chip for cell culture is integrated in the probe. We create an in vitro cell model in the microfluidic chip to simulate the cancer cells and healthy cells activities in vivo, and perform real time monitoring and comparative analysis of molecular metabolic changes of living cells using the NMR probe. Based on a finite element analysis method, we study the radio frequency field distribution and the received signal sensitivities produced by the CMEM probe with different geometrical parameters, and optimize the probe sensitivity and signal resolution. We further study the CMEM probe in inhomogeneous and unstable experimental method for high resolution sequence development. We illustrate the design principles and the mechanism which influence spectral resolution in micro NMR system, and solve important theoretical and experimental problems for high spectral resolution micro NMR. We can obtain metabolites information of living cells in vitro through high resolution and sensitivity NMR signals using this micro NMR probe technology, promoting applications of NMR technology in real-time cell metabolism study and other biomedical fields.

核磁共振（NMR）作为一种无损检测手段被越来越广泛地应用于细胞代谢物研究。如何对活细胞的代谢物变化进行实时NMR分析是NMR谱学研究的前沿课题之一。本项目提出一种新型偶耦合微带线圈探头设计，在探头中集成细胞培养用微流控芯片，模拟体内癌细胞和健康细胞的活动，通过微带线圈探头对活细胞的代谢分子变化进行实时监测和对比分析。我们基于有限元分析方法，研究不同几何参数的偶耦合微带线圈所产生的射频场分布和所接收的信号灵敏度，优化线圈灵敏度和信号分辨率。在实验方法方面，我们进一步研究微型探头在不均匀不稳定场下获得高分辨率谱的脉冲序列方法，阐明其设计原理以及影响谱线分辨率的本质和机理，解决微型NMR探头要获得高分辨率谱的一些重要的理论和实验问题，从而建立一套能获得体外活细胞实时代谢物高分辨率高灵敏度NMR信号的微型NMR探头技术，推动核磁共振技术在体外活细胞代谢物检测和其他更深层次的生物医学领域的应用研究。

本项目研究利用低损耗聚四氟乙烯F4B高频电路板制备偶耦合微带线圈核磁共振探针的设计、制造和优化。使用有限元分析优化偶耦合微带线圈射频均匀性和对应各种样品体积的灵敏度。这种偶耦合微带线圈的射频均匀性优于单个微带探针。对优化后的偶耦合微带线圈的射频均匀性、场强等性能进行了实验研究和详细讨论。通过将偶耦合微带线圈与微流体技术相结合，使用核磁共振波谱法将进行代谢研究所需的样品量降到了最低，这对研究样品量稀缺的样本很重要。所开发的偶耦合微带线圈探头可在10分钟内对2mM浓度5μl的样品提供了高灵敏度的分析，可以用于观察到活细胞代谢水平的动态变化过程。微流体芯片与微带线圈集成在实现动态监测到秒的时间尺度方面起着重要作用。通过不均匀场下高分辨快速二维核磁共振检测和多量子相干机理、方法和实验，研究偶耦合微带线圈探头在不均匀场条件下获得高分辨率谱的新方法，采用新方法优化匀场线圈，提高了检测灵敏度，同时研究了微流控3D打印NMR一体化探头技术，为细胞代谢的研究建立了实验平台，相关工作已发表在Nature Communications杂志上。项目组严格按照各项规章制度，合理使用了经费，积极寻找了其他配套经费的支持，项目剩余经费约55746元，剩余经费计划用于本项目的后续研究。发表了5篇SCI论文，获批4项中国发明专利。达到了申报书的预期目标和要求。

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