Dynamic nuclear polarization (DNP) is theoretically able to enhance the signal in nuclear magnetic resonance (NMR) experiments by a factor γe/γn, where γ’s are the gyromagnetic ratios of an electron and a nuclear spin. However, DNP enhancements currently achieved in high-field, high-resolution biomolecular magic-angle spinning NMR are well below this limit because the continuous-wave DNP mechanisms employed in these experiments scale as ω0n where n ∼ 1–2. In pulsed DNP methods, such as nuclear orientation via electron spin-locking (NOVEL), the DNP efficiency is independent of the strength of the main magnetic field. Hence, these methods represent a viable alternative approach for enhancing nuclear signals. At 0.35 T, the NOVEL scheme was demonstrated to be efficient in samples doped with stable radicals, generating 1H NMR enhancements of ∼430. However, an impediment in the implementation of NOVEL at high fields is the requirement of sufficient microwave power to fulfill the on-resonance matching condition, ω0I = ω1S, where ω0I and ω1S are the nuclear Larmor and electron Rabi frequencies, respectively. Here, we exploit a generalized matching condition, which states that the effective Rabi frequency, ω1Seff, matches ω0I. By using this generalized off-resonance matching condition, we generate 1H NMR signal enhancement factors of 266 (∼70% of the on-resonance NOVEL enhancement) with ω1S/2π = 5 MHz. We investigate experimentally the conditions for optimal transfer of polarization from electrons to 1H both for the NOVEL mechanism and the solid-effect mechanism and provide a unified theoretical description for these two historically distinct forms of DNP.

1.
M. L.
Mak-Jurkauskas
,
V. S.
Bajaj
,
M. K.
Hornstein
,
M.
Belenky
,
R. G.
Griffin
, and
J.
Herzfeld
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
883
(
2008
).
2.
V. S.
Bajaj
,
M. L.
Mak-Jurkauskas
,
M.
Belenky
,
J.
Herzfeld
, and
R. G.
Griffin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
9244
(
2009
).
3.
M. J.
Bayro
,
G. T.
Debelouchina
,
M. T.
Eddy
,
N. R.
Birkett
,
C. E.
MacPhee
,
M.
Rosay
,
W. E.
Maas
,
C. M.
Dobson
, and
R. G.
Griffin
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
13967
(
2011
).
4.
I. V.
Sergeyev
,
L. A.
Day
,
A.
Goldbourt
, and
A. E.
McDermott
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
20208
(
2011
).
5.
T.
Jacso
,
W. T.
Franks
,
H.
Rose
,
U.
Fink
,
J.
Broecker
,
S.
Keller
,
H.
Oschkinat
, and
B.
Reif
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
432
(
2012
).
6.
A.
Potapov
,
W.-M.
Yau
,
R.
Ghirlando
,
K. R.
Thurber
, and
R.
Tycko
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
8294
(
2015
).
7.
P.
Wenk
,
M.
Kaushik
,
D.
Richter
,
M.
Vogel
,
B.
Suess
, and
B.
Corzilius
,
J. Biomol. NMR
63
,
97
(
2015
).
8.
K. K.
Frederick
,
V. K.
Michaelis
,
B.
Corzilius
,
T.
Ong
,
A.
Jacavone
,
R. G.
Griffin
, and
S.
Lindquist
,
Cell
163
,
620
(
2015
).
9.
M.
Renault
,
S.
Pawsey
,
M. P.
Bos
,
E. J.
Koers
,
D.
Nand
,
R.
Tommassen-van Boxtel
,
M.
Rosay
,
J.
Tommassen
,
W. E.
Maas
, and
M.
Baldus
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
2998
(
2012
).
10.
A.
Lesage
,
M.
Lelli
,
D.
Gajan
,
M. A.
Caporini
,
V.
Vitzthum
,
P.
Miéville
,
J.
Alauzun
,
A.
Roussey
,
C.
Thieuleux
,
A.
Mehdi
,
G.
Bodenhausen
,
C.
Coperet
, and
L.
Emsley
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
15459
(
2010
).
11.
12.
A. J.
Rossini
,
A.
Zagdoun
,
M.
Lelli
,
D.
Gajan
,
F.
Rascon
,
M.
Rosay
,
W. E.
Maas
,
C.
Coperet
,
A.
Lesage
, and
L.
Emsley
,
Chem. Sci.
3
,
108
(
2012
).
13.
A. J.
Rossini
,
A.
Zagdoun
,
M.
Lelli
,
J.
Canivet
,
S.
Aguado
,
O.
Ouari
,
P.
Tordo
,
M.
Rosay
,
W. E.
Maas
,
C.
Coperet
,
D.
Farrusseng
,
L.
Emsley
, and
A.
Lesage
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
123
(
2012
).
14.
O.
Lafon
,
A. S. L.
Thankamony
,
M.
Rosay
,
F.
Aussenac
,
X.
Lu
,
J.
Trebosc
,
V.
Bout-Roumazeilles
,
H.
Vezin
, and
J.-P.
Amoureux
,
Chem. Commun.
49
,
2864
(
2013
).
15.
A. J.
Rossini
,
A.
Zagdoun
,
M.
Lelli
,
A.
Lesage
,
C.
Copéret
, and
L.
Emsley
,
Acc. Chem. Res.
46
,
1942
(
2013
).
16.
Z.
Guo
,
T.
Kobayashi
,
L.-L.
Wang
,
T. W.
Goh
,
C.
Xiao
,
M. A.
Caporini
,
M.
Rosay
,
D. D.
Johnson
,
M.
Pruski
, and
W.
Huang
,
Chem. - Eur. J.
20
,
16308
(
2014
).
17.
F.
Pourpoint
,
A. S. L.
Thankamony
,
C.
Volkringer
,
T.
Loiseau
,
J.
Trebosc
,
F.
Aussenac
,
D.
Carnevale
,
G.
Bodenhausen
,
H.
Vezin
,
O.
Lafon
, and
J.-P.
Amoureux
,
Chem. Commun.
50
,
933
(
2014
).
18.
D.
Lee
,
N. T.
Duong
,
O.
Lafon
, and
G.
De Paëpe
,
J. Phys. Chem. C
118
,
25065
(
2014
).
19.
A.
Lund
,
M.-F.
Hsieh
,
T.-A.
Siaw
, and
S.-I.
Han
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
25449
(
2015
).
20.
L.
Piveteau
,
T.-C.
Ong
,
A. J.
Rossini
,
L.
Emsley
,
C.
Copéret
, and
M. V.
Kovalenko
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
13964
(
2015
).
21.
L. R.
Becerra
,
G. J.
Gerfen
,
R. J.
Temkin
,
D. J.
Singel
, and
R. G.
Griffin
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
3562
(
1993
).
22.
L. R.
Becerra
,
G. J.
Gerfen
,
B. F.
Bellew
,
J. A.
Bryant
,
D. A.
Hall
,
S. J.
Inati
,
R. T.
Weber
,
S.
Un
,
T. F.
Prisner
,
A. E.
McDermott
,
K. W.
Fishbein
,
K. E.
Kreischer
,
R. J.
Temkin
,
D. J.
Singel
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson., Ser. A
117
,
28
(
1995
).
23.
M.
Rosay
,
M.
Blank
, and
F.
Engelke
,
J. Magn. Reson.
264
,
88
(
2016
).
24.
C. D.
Jeffries
,
Phys. Rev.
106
,
164
(
1957
).
25.
A.
Abragam
,
J.
Combrisson
, and
I.
Solomon
,
C. R. Hebd. Seances Acad. Sci.
247
,
2337
(
1958
).
26.
E.
Erb
,
J. L.
Motchane
, and
J.
Uebersfeld
,
C. R. Hebd. Seances Acad. Sci.
246
,
3050
(
1958
).
27.
28.
A. V.
Kessenikh
,
V. I.
Lushchikov
,
A. A.
Manenkov
, and
Y. V.
Taran
,
Sov. Phys. Solid State
5
,
321
(
1963
).
29.
A. V.
Kessenikh
,
A. A.
Manenkov
, and
G. I.
Pyatnitskii
,
Sov. Phys. Solid State
6
,
641
(
1964
).
30.
C. F.
Hwang
and
D. A.
Hill
,
Phys. Rev. Lett.
19
,
1011
(
1967
).
31.
C. F.
Hwang
and
D. A.
Hill
,
Phys. Rev. Lett.
18
,
110
(
1967
).
32.
R. A.
Wind
,
M. J.
Duijvestijn
,
C.
van der Lugt
,
A.
Manenschijn
, and
J.
Vriend
,
Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc.
17
,
33
(
1985
).
33.
A. W.
Overhauser
,
Phys. Rev.
92
,
411
(
1953
).
34.
T. R.
Carver
and
C. P.
Slichter
,
Phys. Rev.
92
,
212
(
1953
).
35.
T. R.
Carver
and
C. P.
Slichter
,
Phys. Rev.
102
,
975
(
1956
).
36.
T. V.
Can
,
Q. Z.
Ni
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson.
253
,
23
(
2015
).
37.
A.
Pines
,
M. G.
Gibby
, and
J. S. J.
Waugh
,
Chem. Phys.
59
,
569
(
1973
).
38.
G. A.
Morris
and
R.
Freeman
,
J. Am. Chem. Soc.
101
,
760
(
1979
).
39.
M.
Rosay
,
L.
Tometich
,
S.
Pawsey
,
R.
Bader
,
R.
Schauwecker
,
M.
Blank
,
P. M.
Borchard
,
S. R.
Cauffman
,
K. L.
Felch
,
R. T.
Weber
,
R. J.
Temkin
,
R. G.
Griffin
, and
W. E.
Maas
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
5850
(
2010
).
40.
H.
Schuch
and
C. B.
Harris
,
Z. Naturforsch
30a
,
361
(
1975
).
41.
H.
Brunner
,
R. H.
Fritsch
, and
K. H. Z.
Hausser
,
Naturforsch
42a
,
1456
(
1987
).
42.
A.
Henstra
,
P.
Dirksen
,
J.
Schmidt
, and
W. T.
Wenckebach
,
J. Magn. Reson.
77
,
389
(
1988
).
43.
S. R.
Hartmann
and
E. L.
Hahn
,
Phys. Rev.
128
,
2042
(
1962
).
44.
G.
Mathies
,
S.
Jain
,
M.
Reese
, and
R. G.
Griffin
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
111
(
2016
).
45.
T. V.
Can
,
J. J.
Walish
,
T. M.
Swager
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
143
,
054201
(
2015
).
46.
V.
Macho
,
D.
Stehlik
, and
H.-M.
Vieth
,
Chem. Phys. Lett.
180
,
398
(
1991
).
47.
D. J. v. d.
Heuvel
,
A.
Henstra
,
T.-S.
Lin
,
J.
Schmidt
, and
W. T.
Wenckebach
,
Chem. Phys. Lett.
188
,
194
(
1992
).
48.
D. J. v. d.
Heuvel
,
J.
Schmidt
, and
W. T.
Wenckebach
,
Chem. Phys.
187
,
365
(
1994
).
49.
M.
Gambarara
,
A.
Battisti
,
M.
Cantamessa
,
A.
Roitman
,
R.
Dobbs
,
D.
Berry
, and
B.
Steer
, in
2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference
(
IEEE
,
New York
,
2009
), p.
319
.
50.
E. A.
Nanni
,
S. M.
Lewis
,
M. A.
Shapiro
,
R. G.
Griffin
, and
R. J.
Temkin
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
235101
(
2013
).
51.
J.
Schaefer
and
E. O.
Stejskal
,
J. Am. Chem. Soc.
98
,
1031
(
1976
).
52.
A.
Bax
,
B. L.
Hawkins
, and
G. E.
Maciel
,
J. Magn. Reson.
59
,
530
(
1984
).
53.
M.
Baldus
,
A. T.
Petkova
,
J.
Herzfeld
, and
R. G.
Griffin
,
Mol. Phys.
95
,
1197
(
1998
).
54.
A.
Schweiger
and
G.
Jeschke
,
Principles of Pulse Electron Paramagnetic Resonance
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2001
).
55.
R. R.
Ernst
,
G.
Bodenhausen
, and
A.
Wokaun
,
Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions
(
Clarendon Press
,
Oxford
,
1987
).
56.
A. A.
Smith
,
B.
Corzilius
,
J. A.
Bryant
,
R.
DeRocher
,
P. P.
Woskov
,
R. J.
Temkin
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson.
223
,
170
(
2012
).
57.
V.
Weis
,
M.
Bennati
,
M.
Rosay
,
J. A.
Bryant
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson.
140
,
293
(
1999
).
58.
T.
Maly
,
J.
Bryant
,
D.
Ruben
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson.
183
,
303
(
2006
).
59.
M. K.
Bowman
,
C.
Mailer
, and
H. J.
Halpern
,
J. Magn. Reson.
172
,
254
(
2005
).
60.
S. N.
Trukhan
,
V. F.
Yudanov
,
V. M.
Tormyshev
,
O. Y.
Rogozhnikova
,
D. V.
Trukhin
,
M. K.
Bowman
,
M. D.
Krzyaniak
,
H.
Chen
, and
O. N.
Martyanov
,
J. Magn. Reson.
233
,
29
(
2013
).
61.
G. T.
Trammell
,
H.
Zeldes
, and
R.
Livingston
,
Phys. Rev.
110
,
630
(
1958
).
62.
M.
Bowman
,
L.
Kevan
, and
R. N.
Schwartz
,
Chem. Phys. Lett.
30
,
208
(
1975
).
63.
T. W.
Wenckebach
,
Appl. Magn. Reson.
34
,
227
(
2008
).
64.
B.
Corzilius
,
A. A.
Smith
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
137
,
054201
(
2012
).
65.
A.
Abragam
and
M.
Goldman
,
Rep. Prog. Phys.
41
,
395
(
1978
).
66.
T. J.
Schmugge
and
C. D.
Jeffries
,
Phys. Rev.
138
,
A1785
(
1965
).
67.
A. A.
Smith
,
B.
Corzilius
,
A. B.
Barnes
,
T.
Maly
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
136
,
015101
(
2012
).
68.
P. A. S.
Cruickshank
,
D. R.
Bolton
,
D. A.
Robertson
,
R. I.
Hunter
,
R. J.
Wylde
, and
G. M.
Smith
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
103102
(
2009
).
69.
R. I.
Hunter
,
P. A. S.
Cruickshank
,
D. R.
Bolton
,
P. C.
Riedi
, and
G. M.
Smith
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
5752
(
2010
).
70.
C. D.
Jeffries
,
Dynamic Nuclear Orientation
(
Wiley-Interscience
,
New York
,
1963
).
71.
K.-N.
Hu
,
G. T.
Debelouchina
,
A. A.
Smith
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
134
,
125105
(
2011
).
72.
K. R.
Thurber
and
R.
Tycko
,
Isr. J. Chem.
54
,
39
(
2014
).
73.
M. J.
Duijvestijn
,
R. A.
Wind
, and
J.
Smidt
,
Physica B+C
138
,
147
(
1986
).
74.
A.
Karabanov
,
A.
van der Drift
,
L. J.
Edwards
,
I.
Kuprov
, and
W.
Kockenberger
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
2658
(
2012
).
75.
Y.
Hovav
,
A.
Feintuch
, and
S.
Vega
,
J. Magn. Reson.
207
,
176
(
2010
).
76.
Y.
Hovav
,
A.
Feintuch
, and
S.
Vega
,
J. Chem. Phys.
134
,
074509
(
2011
).
77.
Y.
Hovav
,
O.
Levinkron
,
A.
Feintuch
, and
S.
Vega
,
Appl. Magn. Reson.
43
,
21
(
2012
).
78.
Y.
Hovav
,
A.
Feintuch
, and
S.
Vega
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
188
(
2013
).
79.
A.
Henstra
and
W. T.
Wenckebach
,
Mol. Phys.
106
,
859
(
2008
).
80.
V.
Weis
,
M.
Bennati
,
M.
Rosay
, and
R. G. J.
Griffin
,
Chem. Phys.
113
,
6795
(
2000
).
81.
V.
Weis
and
R. G.
Griffin
,
Solid State Nucl. Magn. Reson.
29
,
66
(
2006
).
82.
T.
Maly
,
G. T.
Debelouchina
,
V. S.
Bajaj
,
K.-N.
Hu
,
C.-G.
Joo
,
M. L.
Mak–Jurkauskas
,
J. R.
Sirigiri
,
P. C. A. v. d.
Wel
,
J.
Herzfeld
,
R. J.
Temkin
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
128
,
052211
(
2008
).
83.
Y.
Matsuki
,
H.
Takahashi
,
K.
Ueda
,
T.
Idehara
,
I.
Ogawa
,
M.
Toda
,
H.
Akutsu
, and
T.
Fujiwara
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
5799
(
2010
).
84.
A. B.
Barnes
,
E.
Markhasin
,
E.
Daviso
,
V. K.
Michaelis
,
E. A.
Nanni
,
S. K.
Jawla
,
E. L.
Mena
,
R.
DeRocher
,
A.
Thakkar
,
P. P.
Woskov
,
J.
Herzfeld
,
R. J.
Temkin
, and
R. G.
Griffin
,
J. Magn. Reson.
224
,
1
(
2012
).
85.
B.
Corzilius
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
27190
(
2016
).
86.
B.
Corzilius
,
A. A.
Smith
,
A. B.
Barnes
,
C.
Luchinat
,
I.
Bertini
, and
R. G.
Griffin
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
5648
(
2011
).
87.
P. E.
Spindler
,
Y.
Zhang
,
B.
Endeward
,
N.
Gershernzon
,
T. E.
Skinner
,
S. J.
Glaser
, and
T. F.
Prisner
,
J. Magn. Reson.
218
,
49
(
2012
).
88.
A.
Doll
and
G.
Jeschke
,
J. Magn. Reson.
246
,
18
(
2014
).
89.
A.
Henstra
and
W. T.
Wenckebach
,
Mol. Phys.
112
,
1761
(
2014
).
90.
A.
Henstra
,
P.
Dirksen
, and
W. T.
Wenckebach
,
Phys. Lett. A
134
,
134
(
1988
).
91.
A.
Henstra
,
T. S.
Lin
,
J.
Schmidt
, and
W. T.
Wenckebach
,
Chem. Phys. Lett.
165
,
6
(
1990
).
92.
J.
Schmidt
,
D. J. v. d.
Heuvel
,
A.
Henstra
,
T.-S.
Lin
, and
W. T.
Wenckebach
,
Isr. J. Chem.
32
,
165
(
1992
).
93.
T. R.
Eichhorn
,
M.
Haag
,
B. v. d.
Brandt
,
P.
Hautle
, and
W. T.
Wenckebach
,
Chem. Phys. Lett.
555
,
296
(
2013
).
94.
K.
Tateishi
,
M.
Negoro
,
A.
Kagawa
, and
M.
Kitagawa
,
Angew. Chem.
125
,
13549
(
2013
).
95.
T. R.
Eichhorn
,
B. v. d.
Brandt
,
P.
Hautle
,
A.
Henstra
, and
W. T.
Wenckebach
,
Mol. Phys.
112
,
1773
(
2014
).
96.
K.
Tateishi
,
M.
Negoro
,
S.
Nishida
,
A.
Kagawa
,
Y.
Morita
, and
M.
Kitagawa
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
7527
(
2014
).
97.
T. V.
Can
,
R. T.
Weber
,
J. J.
Walish
,
T. M.
Swager
, and
R. G.
Griffin
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
6744
(
2017
).
98.
T. R.
Eichhorn
,
M.
Haag
,
B.
van den Brandt
,
P.
Hautle
,
W. T.
Wenckebach
,
S.
Jannin
,
J. J.
van der Klink
, and
A.
Comment
,
J. Magn. Reson.
234
,
58
(
2013
).
99.
D. E. M.
Hoff
,
B. J.
Albert
,
E. P.
Saliba
,
F. J.
Scott
,
E. J.
Choi
,
M.
Mardini
, and
A. B.
Barnes
,
Solid State Nucl. Magn. Reson.
72
,
79
(
2015
).
100.
T. V.
Can
,
R. T.
Weber
,
J. J.
Walish
,
T. M.
Swager
, and
R. G.
Griffin
,
J. Chem. Phys.
146
,
7
(
2017
).
You do not currently have access to this content.