近日，中国科学院合肥物质院强磁场中心在磁场辅助合成纳米材料及其磁共振成像应用方面取得新进展。研究团队依托稳态强磁场实验装置（SHMFF），首次将强磁场作为主动调控手段引入纳米材料的缺陷工程，通过磁场直接干预成核与生长过程，制备出富含氧空位的超小 GdO_x 纳米探针，其 T₁ 加权磁共振成像（MRI）性能显著优于常规方法所得样品。该策略把磁场的作用从传统的颗粒排列取向推进到原子尺度缺陷与自旋结构层面，为造影剂的理性设计提供了新的调控维度。上述成果由王俊峰团队、匡光力团队与郝宁团队协同完成，以“Magnetically Induced Oxygen Vacancies and Spin Canting in GdO_x Nanoprobes for Enhanced T₁-Weighted MRI”为题发表于Nano Letters。

MRI是现代医学重要的无创诊断手段，但临床常用钆基造影剂普遍存在弛豫效率偏低、对肾功能受损患者存在肾源性系统性纤维化风险等问题。在氧化物纳米材料中，表面氧空位能够引入局域电子态与未配对电子，强化顺磁相互作用，是调控 MRI 造影性能的关键因素。然而在小于 10 纳米的超小颗粒中，表面张力增强、金属氧键更为牢固，传统方法难以可控地引入表面氧空位。

针对这一难题，团队在热分解合成过程中引入 3 特斯拉稳态磁场，利用洛伦兹力与塞曼相互作用改变晶体生长路径与界面能量分布，诱导晶面重取向并抑制氧的规则占位，使晶体优先沿 (112) 晶面生长，从而在颗粒表面富集氧空位。所得 GdO_x 纳米颗粒平均粒径约 2.29 纳米，表面氧空位密度较常规热合成样品提升约 3.5 倍。XPS、XANES、SQUID 及 EPR 等多手段表征结合第一性原理计算证实，氧空位作为自旋倾斜中心，破坏局域自旋共线排列，产生非零净磁矩，增强了近表面顺磁涨落与质子弛豫效率。体外性能测试表明，GdO_x 在 3 T 下的纵向弛豫率 r₁ 达到 28.36 mM^⁻¹ s^⁻¹，约为对照 Gd₂O₃（16.72 mM^⁻¹ s^⁻¹）的 1.7 倍，r₁/r₂ 比值也由 0.43 提升至 0.55，展现出优良的 T₁ 造影效率。在 4T₁ 荷瘤小鼠体内 MRI 实验中，GdO_x 较临床 Gd-DTPA 及对照样品提供了更强、更持久的肿瘤 T₁ 加权增强信号，并在血管成像中同样表现出良好的 T₁ 造影效果。此外，该探针具有良好的生物相容性与胶体稳定性，钆离子泄漏低于 0.5%，可经肾脏完全清除，安全性评价未见明显肝、肾毒性。

Sajid ur Rehman博士、李泽华博士与赵享龙博士为论文共同第一作者，马坤副研究员为论文另一通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金国际科学家研究基金及国家重点研发计划等的支持，相关表征与数据分析依托稳态强磁场实验装置（SHMFF）核磁共振系统完成。

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图1. 无磁场条件下(Gd_₂O_₃)与磁场介导下(GdO_x)的纳米颗粒沿(001)与(112)取向择优生长，其取向由形成能(E₀₀₁、E₁₁₂)与磁交换能(E-ex)的相对大小决定，而磁场则通过改变氧离子在钆离子势场中的受力来调控这一晶体生长过程

图2. GdO_x通过水分子与氧空位相互作用（4f电子及偶极-偶极耦合）加速质子弛豫实现T_₁肿瘤成像，其纵向弛豫率(1/T_₁)随Gd浓度显著增强，而在模拟氧化环境中提取的r_₁值随H_₂O_₂浓度升高呈单调下降