CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

化学分析往往感觉像是一场与时间的赛跑，尤其是当科学家需要了解成百上千种不同样品的组成时。这项工作最强大的工具之一是核磁共振技术，它利用强磁场和无线电波来揭示分子的精确结构。这是一种温和的方法，不会破坏样品，让研究人员能够观察原子是如何排列以及它们如何相互作用的。然而，使用这项技术的传统方式非常缓慢。标准机器旨在一次只能观察一个样品，即使它们可以观察多个样品，用于同时监听所有样品的设备也会变得笨重、昂贵，并且缠绕着乱七八糟的电缆。这种瓶颈限制了科学家筛选新药或研究复杂生物混合物的速度，从而产生了一个迫切的需求：寻找一种既能提高速度又不会牺牲数据质量的方法。

德国卡尔斯鲁厄理工学院的一个研究小组开发了一种新方法来解决这个问题，即通过一个微小的计算机芯片，将用于并行检测的复杂电子设备进行小型化。他们的工作重点是一种称为“多路复用”的方法，该方法允许多个无线电信号在不互相干扰的情况下同时沿单根导线传输。为了测试这个想法，他们使用标准的硅制造技术构建了一个定制芯片，尺寸仅为3毫米乘以4毫米。这个小装置充当了无线电波的交通控制器，将来自四个不同样品检测器的信号组合成一个单一的数据流，然后发送到计算机进行分析。通过这样做，他们消除了对四个独立接收端口的需求，以及通常连接它们的沉重线束，从而将硬件的复杂性和成本降低了四倍。

研究人员在两种不同的场景下对他们的系统进行了测试，以观察其是否能应对现实世界的条件。在第一个实验中，他们使用了一个包含四个独立检测器的专用探头，每个检测器中都装有不同的液体样品。其中两个检测器被调谐用于监听氢原子，另外两个则用于监听氟原子。他们将这个探头放入一个强大的磁体中，并让样品通过该系统运行。如果没有这个新芯片，机器将需要四根单独的电缆将数据发送到计算机。而现在，该芯片将所有四个信号合并到一根电缆中。结果显示，该系统运行得非常出色。计算机能够重新分离这些信号，并为所有四个样品同时产生清晰的光谱。虽然某些通道的信号清晰度略有下降（降幅约为8%至32%），但研究人员发现，只需重复测量并取平均值即可恢复质量。当他们进行32次扫描取平均值时，信号质量提高了五倍以上，几乎达到了此类过程的理论极限。

为了进一步证明其设计的灵活性，团队使用了一个不同的探头进行了第二次实验，该探头内含单个样品，但包含两个调谐至不同类型原子的线圈：氢和碳。这种设置使他们能够测试芯片是否可以同时处理来自不同元素的信号。他们在稍小的磁体中运行了实验，并再次将两个信号合并到一根电缆中。结果证实，该芯片可以成功管理来自不同原子核的信号，尽管这些原子核的振动频率截然不同。信号质量保持在高水平，氢信号的清晰度仅有微小损失，而碳信号的损失几乎可以忽略不计。通过平均16次扫描，他们再次几乎完全恢复了信号强度，证明了该系统对于长期实验具有足够的稳定性。

这种新方法最显著的优势之一是节省时间。在传统的设置中，如果科学家想要对四个不同的样品进行32次测量，他们必须等待机器完成一个样品，然后再进行下一个，如此循环四次。利用多路复用系统，所有四个样品都会在这32个周期内同时被测量。这意味着实验所需的总时间缩短了四分之一，这对于药物研发等高通量工作来说是一个巨大的提升。研究人员还展示了该系统可以处理复杂的脉冲序列（例如用于测量信号返回静止状态所需时间的序列），且不会失去稳定性。他们甚至展示了可以通过软件清理任何微小的通道间干扰，确保一个样品的数据不会渗透到另一个样品的数据中。

这项工作的成功表明，核磁共振波谱术的未来可能会涉及将更密集的检测器阵列集成到更小的空间中。由于该芯片非常小且集成了许多功能，它可以被放置在非常靠近样品的位置，从而减少了电流通过长导线时通常会发生的信号损失。研究人员指出，虽然他们目前的芯片是使用标准制造工艺制造的，但未来的版本可以拥有更小的特征，从而允许在单个设备上封装更多的通道。这最终可能导致能够一次分析数十个样品的波谱仪，从而改变科学家进行大规模化学筛选的方式。该研究证实，绕过传统的笨重、多电缆系统的局限性是可能的，为实现更快、更高效且更经济的化学分析提供了一条切实可行的路径。