Твердотельный ядерный магнитный резонанс

Твердотельный 900 МГц (21,1 Тл ) Спектрометр ЯМР в Канадской национальной установке ЯМР твердых тел в сверхсильном поле.

Твердотельная ЯМР- ( осс-ЯМР ) спектроскопия — это метод определения структуры атомного уровня в твердых материалах, например, порошках, монокристаллах, аморфных образцах и тканях, с использованием ядерного магнитного резонанса спектроскопии (ЯМР). Анизотропная часть многих спиновых взаимодействий присутствует в ЯМР твердого тела, в отличие от ЯМР в растворе , где быстрое кувыркающееся движение усредняет многие спиновые взаимодействия. В результате спектры ЯМР твердого тела характеризуются большей шириной линий, чем ЯМР в растворе, что можно использовать для получения количественной информации о молекулярной структуре, конформации и динамике материала. Твердотельный ЯМР часто сочетается с вращением под магическим углом, чтобы устранить анизотропные взаимодействия и улучшить разрешение, а также чувствительность метода.

Роторы Bruker MAS. Слева направо: 1,3 мм (до 67 кГц), 2,5 мм (до 35 кГц), 3,2 мм (до 24 кГц), 4 мм (до 15 кГц), 7 мм (до 7 кГц)

спиновые

Резонансная частота ядерного спина зависит от силы магнитного поля в ядре , которое может быть изменено с помощью изотропных (например, химического сдвига , изотропного J- соединения ) и анизотропных взаимодействий ( например, анизотропии химического сдвига , диполярных взаимодействий). В классическом эксперименте ЯМР в жидком состоянии переворачивание молекул, возникающее в результате броуновского движения, сводит анизотропные взаимодействия в среднем к нулю, и поэтому они не отражаются в спектре ЯМР. Однако в средах с отсутствием или небольшой подвижностью (например, кристаллические порошки, стекла, крупные мембранные везикулы, молекулярные агрегаты) анизотропные локальные поля или взаимодействия оказывают существенное влияние на поведение ядерных спинов, что приводит к уширению линий спектров ЯМР.

Химическая защита

Основная статья: Химический сдвиг

Химическая защита является локальным свойством каждого ядерного участка в молекуле или соединении и пропорциональна приложенному внешнему магнитному полю. Внешнее магнитное поле индуцирует токи электронов на молекулярных орбиталях. Эти индуцированные токи создают локальные магнитные поля, которые приводят к характерным изменениям резонансной частоты. Эти изменения можно предсказать на основе молекулярной структуры, используя эмпирические правила или квантово-химические расчеты.

В общем, химическая защита является анизотропной из-за анизотропного распределения молекулярных орбиталей вокруг ядерных центров. При достаточно быстром вращении под магическим углом или под действием молекулярного переворота в ЯМР в растворе анизотропная зависимость химического экранирования усредняется по времени до нуля, оставляя только изотропный химический сдвиг .

Диполярная связь

Основная статья: Магнитное диполь-дипольное взаимодействие

Векторы, важные для диполярной связи между ядерными спинами I ₁ и I ₂ . θ — угол между вектором, соединяющим I ₁ и I ₂ , и магнитным полем B.

Ядерные спины обладают магнитным дипольным моментом , который генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с дипольными моментами других ядер ( диполярная связь ). Величина взаимодействия зависит от гиромагнитного отношения видов спинов, межъядерного расстояния r и ориентации по отношению к внешнему магнитному полю B вектора, соединяющего два ядерных спина (см. рисунок). Максимальная диполярная связь определяется константой диполярной связи d ,

$d=\hbar \left({\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\right){\frac {1}{r^{3}}}\gamma _{1}\gamma _{2}$,

где γ ₁ и γ ₂ — гиромагнитные отношения ядер, $\hbar$ – приведенная постоянная Планка , $\mu _{0}$это вакуумная проницаемость . В сильном магнитном поле диполярная связь зависит от угла θ между межъядерным вектором и внешним магнитным полем B (рисунок) согласно закону

$D\propto 3\cos ^{2}\theta -1$.

D становится нулевым для $\theta _{m}=\arccos {\sqrt {1/3}}=\arctan {\sqrt {2}}\simeq 54.7^{\circ }$. Следовательно, два ядра с вектором диполярной связи под углом θm _{= 54,7} ° к сильному внешнему магнитному полю имеют нулевую диполярную связь. θ _m называется магическим углом . Вращение под магическим углом обычно используется для устранения диполярных связей, более слабых, чем скорость вращения.

Квадруполярное взаимодействие

Ядра со спиновым квантовым числом >1/2 имеют несферическое распределение заряда и связанный с ним тензор электрического квадрупольного момента. Ядерный электрический квадрупольный момент связан с окружающими градиентами электрического поля. Ядерное квадрупольное взаимодействие - одно из крупнейших взаимодействий в ЯМР-спектроскопии, часто сравнимое по размеру с зеемановским взаимодействием. Когда ядерная квадрупольная связь не является пренебрежимо малой по сравнению с зеемановской связью, для правильного описания спектра ЯМР необходимы поправки более высокого порядка. В таких случаях поправка первого порядка к частоте ЯМР-перехода приводит к сильному анизотропному уширению линий спектра ЯМР. Однако все симметричные переходы между $m_{I}$ и $-m_{I}$уровни не подвержены влиянию частотного вклада первого порядка. Частотный вклад второго порядка зависит от _{P 4} полинома Лежандра , который имеет нулевые точки при 30,6° и 70,1°. Эти анизотропные уширения можно удалить с помощью DOR (вращение под двойным углом), при котором вы вращаетесь под двумя углами одновременно, или DAS (вращение под двойным углом). где вы быстро переключаетесь между двумя углами. Оба метода были разработаны в конце 1980-х годов и требуют специального оборудования (зонда). ЯМР с вращением под множественным квантовым магическим углом (MQMAS) был разработан в 1995 году и стал обычным методом получения твердотельных ЯМР-спектров квадруполярных ядер высокого разрешения. Метод, аналогичный MQMAS, - это ЯМР с вращением под магическим углом спутникового перехода (STMAS), разработанный в 2000 году.

J-муфта

J -связь или непрямая ядерная спин-спиновая связь (иногда ее еще называют «скалярной» связью, несмотря на то, что J — тензорная величина) описывает взаимодействие ядерных спинов посредством химических связей . J-связи не всегда разрешаются в твердых телах из-за обычно большой ширины линии, наблюдаемой в ЯМР твердого тела.

Другие взаимодействия

Парамагнетики подвержены сдвигу Найта .

Формы линий твердотельного ЯМР

Порошковый узор

Моделирование формы различных порошковых рисунков для различной асимметрии $\eta$ и анизотропия химического сдвига $\Delta _{CS}$параметры.

Порошковая картина возникает в порошкообразных образцах, где кристаллиты ориентированы случайным образом относительно магнитного поля, так что присутствуют все ориентации молекул. При наличии анизотропного взаимодействия химического сдвига каждая ориентация относительно магнитного поля дает разную резонансную частоту. Если присутствует достаточное количество кристаллитов, все различные вклады непрерывно перекрываются и приводят к гладкому спектру.

Подбор картины в статическом эксперименте ssNMR дает информацию о тензоре экранирования, который часто описывается изотропным химическим сдвигом. $\delta _{iso}$, параметр анизотропии химического сдвига $\Delta _{CS}$, а параметр асимметрии $\eta$.

Диполярный узор

Дополнительная информация: Дублет Паке.

Диполярный порошковый рисунок (рисунок Пейка)

Диполярный порошковый узор (также узор Пейка) имеет очень характерную форму, которая возникает, когда два ядерных спина соединяются вместе внутри кристаллита. Расщепление между максимумами («рогами») диаграммы равно константе диполярной связи. $d$.:

$d=\hbar \left({\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\right){\frac {1}{r^{3}}}\gamma _{1}\gamma _{2}$

где γ ₁ и γ ₂ — гиромагнитные отношения диполярно-связанных ядер, $r$ межъядерное расстояние, $\hbar$ – приведенная постоянная Планка , $\mu _{0}$ это вакуумная проницаемость .

полупроводниковые

Вращение под магическим углом

Основная статья: Вращение под магическим углом

Моделирование увеличения скорости MAS на ¹³ C-спектр ЯМР твердого тела ¹³ C-Глицин при 9,4 Т (400 МГц) ¹ частота H). MAS представляет собой набор вращающихся боковых полос, отделенных от изотропной частоты кратным скорости вращения.

Вращение под магическим углом (MAS) — это метод, обычно используемый в твердотельном ЯМР для получения более узких и более интенсивных линий ЯМР. Это достигается поворотом образца на магический угол θ _m (около 54,74 °, где cos ² θ _m = 1/3 ) по отношению к направлению магнитного поля , которое приводит к отмене, по крайней мере частично, анизотропных ядерных взаимодействий, таких как диполярное , анизотропия химического сдвига и квадрупольное взаимодействие. Чтобы добиться полного усреднения этих взаимодействий, образец необходимо вращать со скоростью, которая, по крайней мере, превышает максимальную анизотропию.

Вращение образца порошка с более медленной скоростью, чем скорость наибольшего компонента анизотропии химического сдвига, приводит к неполному усреднению взаимодействия и создает набор боковых полос вращения в дополнение к изотропной линии с центром в изотропном химическом сдвиге. Вращающиеся боковые полосы представляют собой резкие линии, отделенные от изотропной частоты кратным скорости вращения. Хотя вращающиеся боковые полосы можно использовать для измерения анизотропных взаимодействий, они часто нежелательны и удаляются за счет более быстрого вращения образца или записи точек данных синхронно с периодом ротора.

Кроссполяризация

Последовательность импульсов КП. Последовательность начинается с импульса 90° на богатом канале (обычно H). Затем контактные импульсы CP, соответствующие условию Хартмана-Хана, применяются для передачи намагниченности от H к X. Наконец, обнаруживается распад свободной индукции (FID) ядер X, обычно с помощью ¹ H развязка.

Кросс-поляризация (CP) — это фундаментальная последовательность радиочастотных импульсов и строительный блок во многих твердотельных ЯМР. Обычно его используют для усиления сигнала разбавленных ядер с низким гиромагнитным отношением (например, ¹³
С , ¹⁵
N ) за счет переноса намагниченности от обильных ядер с высоким гиромагнитным отношением (например, ¹
H ), или как метод спектрального редактирования для получения космической информации (например, направленный ¹⁵
N → ¹³
C CP в белковой спектроскопии).

Для установления переноса намагничивания на оба частотных канала одновременно подаются ВЧ-импульсы («контактные импульсы»), создающие $B_{1}$ поля, напряженность которых удовлетворяет условию Гартмана – Хана:

$\gamma _{H}B_{1}(^{1}{\text{H}})=\gamma _{X}B_{1}({\text{X}})\pm n\omega _{R}$

где $\gamma$ гиромагнитные отношения , $\omega _{R}$ - скорость вращения, и $n$является целым числом. На практике мощность импульса, а также длительность контактного импульса оптимизируются экспериментально. Мощность одного контактного импульса обычно увеличивается для достижения более широкополосной и эффективной передачи намагничивания.

Развязка

Спиновые взаимодействия могут быть удалены ( развязаны ), чтобы увеличить разрешение спектров ЯМР во время обнаружения или продлить время жизни ядерной намагниченности.

Гетероядерная развязка достигается за счет радиочастотного облучения на частоте развязываемого ядра, что часто ¹ H. Облучение может быть непрерывным (развязка непрерывных волн). ), или серию импульсов, расширяющих производительность и полосу пропускания развязки (TPPM, СПИНАЛЬ-64, ЮЗФ-ТППМ )

Гомоядерная развязка достигается с помощью многоимпульсных последовательностей (WAHUHA, МРЭВ-8, БР-24, УДАР-12, ФСЛГ ) или модуляция непрерывной волны (DUMBO, эДУМБО ). Диполярные взаимодействия также можно устранить с помощью вращения под магическим углом . Сверхбыстрая MAS (от 60 кГц до более 111 кГц) — эффективный способ усреднить все диполярные взаимодействия, включая ¹ ЧАС- ¹ H гомоядерные диполярные взаимодействия, что расширяет разрешение ¹ H-спектры и позволяет использовать последовательности импульсов, используемые в ЯМР в растворе.

Усовершенствованная твердотельная

Двойной резонанс вращательного эха (REDOR)

Последовательность импульсов двойного резонанса вращательного эха (REDOR). Первый этап возбуждения (импульс 90° или этап CP) помещает намагниченность в поперечную плоскость. Затем две серии 180-градусных импульсов, синхронизированные с полупериодом ротора, подаются на канал Y для повторного введения гетероядерных диполярных взаимодействий XY. Последовательности импульсов прерываются импульсом 180° на канале X, который позволяет перефокусировать намагниченность X для обнаружения X (спиновое эхо). Задержка между импульсом 90° и началом сбора данных называется «временем перефразирования».

Эксперимент с двойным резонансом вращательного эха (REDOR), представляют собой тип эксперимента по гетероядерной диполярной связи, который позволяет повторно ввести гетероядерные диполярные связи, усредненные по MAS. Повторное введение такой диполярной связи снижает интенсивность сигнала ЯМР по сравнению с эталонным спектром, где не используется импульс дефазировки. REDOR может использоваться для измерения гетероядерных расстояний и является основой кристаллографических исследований ЯМР .

Сверхбыстрый MAS для ¹ H ЯМР

Сильный ¹ ЧАС- ¹ Гомоядерные диполярные взаимодействия H, связанные с широкими линиями ЯМР и коротким временем релаксации Т _{2 ,} эффективно передают протон бимолекулярному ЯМР. Недавние разработки более быстрого MAS и уменьшения диполярных взаимодействий за счет дейтерирования сделали протонный оцЯМР таким же универсальным, как и в растворе. Сюда входит спектральная дисперсия в многомерных экспериментах. а также структурно ценные ограничения и параметры, важные для изучения динамики материалов.

Сверхбыстрый ЯМР и связанное с ним повышение резкости линий ЯМР позволяют использовать последовательности импульсов ЯМР для повышения чувствительности экспериментов по сравнению с прямым обнаружением системы со спином 1/2 (X). Такой коэффициент усиления $\xi$ дан кем-то:

$\xi \propto \left({\frac {\gamma _{H}}{\gamma _{X}}}\right)^{3/2}\left({\frac {W_{X}}{W_{H}}}\right)^{1/2}\left({\frac {Q_{H}}{Q_{X}}}\right)^{1/2}$

где $\gamma$ гиромагнитные отношения , $W$ представляют ширину линий ЯМР, и $Q$ представляют собой добротность резонансов зонда.

MAS-Динамическая ядерная поляризация (MAS-DNP)

Дополнительная информация: Динамическая ядерная поляризация.

Динамическая ядерная поляризация с вращением под магическим углом (MAS-DNP) - это метод, который увеличивает чувствительность экспериментов ЯМР на несколько порядков. Он включает в себя передачу очень высокой электронной поляризации от неспаренных электронов к близлежащим ядрам. Это достигается при криогенных температурах с помощью непрерывного микроволнового облучения, исходящего от клистрона или гиротрона , с частотой, близкой к соответствующей частоте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Развитие приборостроения МАС-ДНП, а также совершенствование поляризующих веществ (ТОТАПОЛ, АМУПОЛ, ТЭКПОЛ и др. ) для достижения более эффективной передачи поляризации значительно сократило время экспериментов, что позволило наблюдать поверхности, нечувствительные изотопы, и многомерные эксперименты с ядрами с низким естественным содержанием, и разбавленные виды.

Приложения

ЯМР-спектроскопия твердого тела служит эффективным аналитическим инструментом в биологической, органической и неорганической химии из-за ее близкого сходства со спектрами жидкого состояния, а также дает дополнительную информацию об анизотропных взаимодействиях.

Он используется для характеристики химического состава, супрамолекулярной структуры, локальных движений, кинетики и термодинамики, обладая особой способностью приписывать наблюдаемое поведение определенным участкам молекулы. Это также имеет решающее значение в области поверхностной и межфазной химии.

и

Белки и биоагрегаты

Твердотельный ЯМР используется для изучения нерастворимых белков и белков, очень чувствительных к окружающей среде, таких как мембранные белки. и амилоидные фибриллы. Последняя тема относится к заболеваниям агрегации белков, таким как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона . Твердотельная ЯМР-спектроскопия дополняет ЯМР-спектроскопию в растворе и методы лучевой дифракции (например, рентгеновская кристаллография , электронная микроскопия ). Несмотря на то, что часто требуется изотопное обогащение, Преимущество осс-ЯМР заключается в том, что требуется небольшая подготовка проб, и его можно использовать не только для сухих или замороженных образцов, но также для полностью гидратированных образцов или нативных некристаллических тканей. Выяснение структуры белков с помощью твердотельного ЯМР традиционно основывалось на вторичных химических сдвигах и пространственных контактах между ядрами.

Биоматериалы

Твердотельный ЯМР также успешно применяется для изучения биоматериалов, таких как кость , зубы , волосы , шелк , древесина , а также вирусы , растения , клетки , биопсия , и даже живых животных.

Лекарства и системы доставки лекарств

Другие применения оцЯМР находятся в области фармацевтических исследований.

Во-первых, он играет ключевую роль в характеристике полиморфных модификаций лекарственных средств и твердых дисперсий. Это полезно для минимизации рисков, связанных с изменениями твердой формы: определение твердой формы активного фармацевтического ингредиента играет ключевую роль в обеспечении контролируемой биодоступности и стабильности; Изменения могут существенно повлиять на эффективность лекарств. Анализ взаимодействий на молекулярном уровне также облегчает разработку рецептур аморфных твердых дисперсий с целью повышения растворимости.

Кроме того, оцЯМР помогает характеризовать пористые материалы, предназначенные для систем доставки лекарств , что дает ученым возможность разрабатывать носители и составы, которые повышают эффективность лекарств.

Материаловедение

Твердотельный ЯМР успешно применяется для изучения металлоорганических каркасов (МОФС). батарейки , поверхности нанопористых материалов, полимеры .

Консервация

ЯМР также можно применять для консервации произведений искусства. Различные уровни солей и влаги можно обнаружить с помощью ЯМР твердого тела. Однако размеры выборки, полученной из произведений искусства для прохождения через эти большие проводящие магниты, обычно превышают уровни, считающиеся приемлемыми. В односторонних методах ЯМР используются портативные магниты, которые прикладывают к интересующему объекту, минуя необходимость отбора проб.

Ссылки

Рекомендуемая литература для начинающих

Общий ЯМР

• Килер, Джеймс (2002). «Понимание ЯМР-спектроскопии» . Репозиторий Аполло-Кембриджского университета, Репозиторий Аполло-Кембриджского университета. дои : 10.17863/CAM.968 .
• Хор, Пи Джей (2015). ЯМР: инструментарий: как работают импульсные последовательности . Дж. А. Джонс, Стивен Уимперис (2-е изд.). Оксфорд. ISBN  978-0-19-870342-6 . OCLC   910929523 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Хор, Пи Джей (2015). Ядерный магнитный резонанс (2-е изд.). Оксфорд. ISBN  978-0-19-870341-9 . OCLC   910929524 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Энциклопедия ЯМР . Робин К. Харрис, Родерик Э. Василишен. Чичестер, Западный Суссекс: Джон Вили и сыновья. 2012. ISBN  978-0-470-05821-3 . OCLC   796758664 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

Твердотельный ЯМР

• Лоус Дэвид Д., Ганс, Биттер Маркус Л., Йершов Алексей (2002). «Методы ЯМР-спектроскопии твердого тела в химии». Angewandte Chemie, международное издание . 41 (17): 3096–3129. doi : 10.1002/1521-3773(20020902)41:17<3096::AID-ANIE3096>3.0.CO;2-X . ПМИД   12207374 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Рейф, Бернд; Эшбрук, Шэрон Э.; Эмсли, Линдон; Хун, Мэй (2021). «ЯМР-спектроскопия твердого тела» . Учебники по методам Nature Reviews . 1 . дои : 10.1038/s43586-020-00002-1 . ПМЦ   8341432 . ПМИД   34368784 .
• Левитт, Малкольм Х., Спиновая динамика: основы ядерного магнитного резонанса , Уайли, Чичестер, Великобритания, 2001. ISBN   978-0470511176 (основы ЯМР, включая твердые вещества)
• Дьюер, Мелинда Дж. , Введение в ЯМР-спектроскопию твердого тела , Блэквелл, Оксфорд, 2004. (Некоторые подробные примеры оц-ЯМР-спектроскопии)
• Шмидт-Рор К. и Шписс Х.-В. Многомерный ЯМР твердого тела и полимеры , Academic Press, Сан-Диего, 1994.

Внешние ссылки

• mrsimulator Пакет Python для моделирования спектров ЯМР твердого тела.
• SSNMRBLOG Литературный блог по ЯМР твердого тела группы профессора Роба Шурко по ЯМР твердого тела в Виндзорском университете
• «МАС ЯМР твердого тела | ЯМР белков» . Проверено 13 сентября 2021 г.
• «Блог установки ЯМР Университета Оттавы» . u-of-o-nmr-facility.blogspot.com . Проверено 13 сентября 2021 г.