Настольный спектрометр ядерного магнитного резонанса
 | Судя по всему, основной автор этой статьи тесно связан с ее предметом. ( Ноябрь 2013 г. ) |
Настольный спектрометр ядерного магнитного резонанса ( настольный ЯМР-спектрометр ) относится к с преобразованием Фурье спектрометру ядерного магнитного резонанса (FT-ЯМР), который значительно более компактен и портативен, чем традиционные эквиваленты, так что он портативен и может находиться на лабораторном столе. Это удобство достигается за счет использования постоянных магнитов, которые имеют меньшее магнитное поле и пониженную чувствительность по сравнению с гораздо более крупными и дорогими сверхпроводящими магнитами ЯМР с криогенным охлаждением. Вместо того, чтобы требовать специальной инфраструктуры, помещений и обширных установок, эти настольные приборы можно разместить прямо на столе в лаборатории и при необходимости перемещать ( например, в вытяжной шкаф). Эти спектрометры предлагают улучшенный рабочий процесс даже для начинающих пользователей, поскольку они более просты и удобны в использовании. Они отличаются от релаксометров тем, что их можно использовать для измерения спектров ЯМР высокого разрешения и не ограничиваться определением релаксации или диффузии параметров ( например, T1, T2 и D).
Разработка Магнита
[ редактировать ]В первом поколении ЯМР-спектрометров использовались большие электромагниты весом в сотни килограммов и более. Чуть меньшие по размеру системы постоянных магнитов были разработаны в 1960-70-х годах на частотах протонного резонанса 60 и 90 МГц и широко использовались для химического анализа методами непрерывного излучения , но эти постоянные магниты все еще весили сотни килограммов и их нельзя было разместить на столе. . Сверхпроводящие магниты были разработаны для создания более сильных магнитных полей для более высокого разрешения и повышенной чувствительности. Однако эти сверхпроводящие магниты дороги, велики и требуют специализированного строительного оборудования. [1] Кроме того, криогены, необходимые для сверхпроводников, опасны и требуют постоянных затрат на техническое обслуживание. [2] [3] [ ненадежный источник? ] В результате эти инструменты обычно устанавливаются в специальных комнатах или помещениях ЯМР для использования несколькими исследовательскими группами.
С начала 2000-х годов произошел ренессанс в технологии и дизайне постоянных магнитов. [4] с достижениями, достаточными для разработки гораздо меньших по размеру инструментов ЯМР с полезным разрешением и чувствительностью для образования, исследований и промышленного применения. [5] Жесткие ферромагнетики из самария-кобальта и неодима позволили уменьшить размер постоянных магнитов ЯМР, и были достигнуты поля до 2,9 Тл, что соответствует ларморовской частоте протонов 125 МГц. Эти конструкции, которые работают при температуре магнита от комнатной до 60 °C, позволяют сделать инструменты достаточно маленькими, чтобы их можно было разместить на лабораторном столе, и безопасными для работы в типичной лабораторной среде. Им требуется только однофазное местное питание, а с помощью ИБП системы можно сделать портативными и выполнять ЯМР-анализ в разных точках производственной зоны.
Недостатки малогабаритных магнитов и способы их преодоления
[ редактировать ]Одним из самых больших недостатков ЯМР-спектрометров низкого поля (0,3–1,5 Тл) является температурная зависимость постоянных магнитов, используемых для создания основного магнитного поля. В случае небольших магнитов существовало опасение, что интенсивность внешних магнитных полей может отрицательно повлиять на основное поле, однако использование магнитных экранирующих материалов внутри спектрометра устраняет эту проблему. Имеющиеся в настоящее время спектрометры легко перемещаются из одного места в другое, в том числе некоторые из них установлены на переносных тележках с источниками постоянного питания. [6] Другая связанная с этим трудность заключается в том, что доступные в настоящее время спектрометры не поддерживают повышенные температуры образца, которые могут потребоваться для некоторых измерений in-situ в химических реакциях.
В недавней статье предполагается, что специальная экспериментальная установка с двумя или более катушками и синхронными генераторами может помочь решить эту проблему. [7] и позволить ему работать с нестабильными магнитными полями и с доступными генераторами.
Спектры ЯМР, полученные в слабом поле, страдают от меньшей дисперсии сигнала, что также приводит к более сложным спектрам с перекрывающимися сигналами и эффектами более высокого порядка. [8] Полная интерпретация таких спектров требует компьютерного квантовомеханического спектрального анализа. [9] для спектров ЯМР 1H-1D, также известных как HiFSA. [10]
Приложения
[ редактировать ]ЯМР-спектроскопию можно использовать для химического анализа, [11] [12] мониторинг реакции, [13] и эксперименты по обеспечению качества/контролю качества. Приборы с более высоким полем обеспечивают беспрецедентное разрешение при определении структуры, особенно сложных молекул. Более дешевые, более надежные и более универсальные приборы среднего и слабого поля обладают достаточной чувствительностью и разрешением для мониторинга реакций и анализа ОК/КК. [1] Поскольку такая технология постоянных магнитов предлагает потенциал для расширения доступности ЯМР для учреждений, которые не имеют доступа к сверхпроводящим спектрометрам ( например, для начинающих студентов [14] или малый бизнес).
За последнее десятилетие было разработано множество автоматизированных приложений, использующих подходы многомерного статистического анализа (хемометрики) для получения корреляций структуры-свойства, а также химических и физических свойств между спектрами 1H ЯМР 60 МГц и данными первичного анализа, особенно для приложений управления нефтяными и нефтехимическими процессами. [15] [16]
Доступные настольные ЯМР-спектрометры
[ редактировать ]Разработка этого нового класса спектрометров началась в середине 2000-х годов, и этот метод молекулярной спектроскопии стал одним из последних, доступных для настольных компьютеров.
Спинсольв
[ редактировать ], базирующийся в Новой Зеландии и Германии Прибор Spinsolve компании Magritek , работающий на частоте 90 МГц, [17] 80 МГц, [18] и 60 МГц, [19] обеспечивает очень хорошую чувствительность и разрешение менее 0,4 Гц и весит 115 кг, 73 кг и 60 кг соответственно. Модель УЛЬТРА [20] имеет еще более высокое разрешение 0,2 Гц с формой линии 0,2 Гц/6 Гц/12 Гц, что сравнимо со спецификациями ЯМР в сильном поле. Можно измерить протон 1H, фтор 19F, углерод 13C, фосфор 31P и другие X-ядра, такие как 7Li, 23Na, 29Si и другие. Несколько ядер X можно включить в один спектрометр без потери чувствительности, используя опцию Multi X. [21] Можно получить широкий спектр ЯМР-спектров, включая 1D, 1D с развязкой, подавлением растворителя , спектры DEPT, T1, T2 и 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COSY и JRES . Включены градиенты импульсного поля для спектроскопии и дополнительные диффузионные градиенты импульсного поля. [22] тоже можно добавить. Магнит стабилизирован внешним замком, а значит не требует использования дейтерированных растворителей . Доступны приспособление для онлайн-мониторинга реакции с использованием проточной кюветы и автосамплера. Образцы измеряются с использованием стандартных пробирок ЯМР диаметром 5 мм , а управление спектрометром осуществляется через внешний компьютер, где происходит стандартный сбор и обработка данных ЯМР.
пикоСпин
[ редактировать ]В 2009 году компания picoSpin LLC, расположенная в Боулдере, штат Колорадо, выпустила первый настольный ЯМР-спектрометр picoSpin 45. Небольшой (7 x 5,75 x 11,5 дюймов) спектрометр на 45 МГц с хорошим разрешением (< 1,8 Гц) и средним и низким диапазоном частот. Чувствительность -диапазона, весит 4,76 кг (10,5 фунтов) и может регистрировать 1D-спектры 1H или 19F. PicoSpin была приобретена Thermo Fisher Scientific в декабре 2012 года и впоследствии переименована в Thermo Scientific picoSpin 45. [23] Вместо традиционных статических трубок ЯМР диаметром 5 мм в спектрометре picoSpin 45 используется проточная система, которая требует ввода пробы в ПТФЭ-капилляр с внутренним диаметром 0,4 мм и кварцевый капилляр . [24] Дейтерированные растворители не являются обязательными из-за наличия программной блокировки. Для управления требуется только веб-браузер на любом внешнем компьютере или мобильном устройстве, поскольку спектрометр имеет встроенную плату веб-сервера; никакого установленного программного обеспечения на выделенном ПК не требуется. В августе 2013 года была представлена вторая версия, Thermo Scientific picoSpin 80, которая работает на частоте 82 МГц с разрешением 1,2 Гц и в десять раз превышает чувствительность оригинального picoSpin 45.
Наанализ
[ редактировать ]Калгари, AB, Канада, базирующаяся в Nanalysis Corp , предлагает две настольные платформы ЯМР: 60 и 100 МГц, что составляет 1,4 Тл и 2,35 Тл соответственно. Спектрометры заключены в единый корпус (магнит, электроника и компьютер с сенсорным экраном), что упрощает их размещение, но всеми системами можно управлять локально или удаленно с помощью внешнего компьютера по желанию пользователя. Модель 60 МГц — это самая маленькая модель 60 МГц, доступная на рынке, ее вес составляет около 25 кг, а модель 100 МГц — чуть менее 100 кг.
Обе платформы выпускаются в модели «e», которая может иметь 1H/19F, или в модели «PRO», которая учитывает 1H/19F/X (где X определяется клиентом, но чаще всего это 7Li, 11B, 13C, 31P). . В зависимости от модели прибора он может выполнять эксперименты 1D 1H, 13C{1H}, 19F, 31P, 31P{1H}, COSY, JRES, DEPT, APT, HSQC, HSQC-ME, HMBC, T1 и T2. В спектрометрах используются стандартные 5-мм ЯМР-трубки, и они совместимы с большинством сторонних программных пакетов ЯМР.
Nanaлиз приобрела RS2D в 2020 году, расширив свой портфель технологий магнитного резонанса, включив в него превосходную технологию Cameleon4, консоли ЯМР, линейки продуктов для доклинической МРТ и МРТ. В 2021 году Nanaанализ также приобрела нью-йоркскую компанию-разработчика программного обеспечения One Moon Scientific, чтобы предложить рутинную высокопроизводительную обработку данных и расширить анализ данных ЯМР, включая машинное обучение, построение баз данных и алгоритмы поиска.
Икс-Пульс / Пульсар
[ редактировать ]В 2019 году компания Oxford Instruments выпустила новый спектрометр 60 МГц под названием X-Pulse. [25] Этот прибор является значительным улучшением предыдущей системы Pulsar, выпущенной в 2013 году. X-Pulse в стандартной комплектации имеет самое высокое разрешение (<0,35 Гц/10 Гц) среди доступных в настоящее время настольных безкриогенных ЯМР-анализаторов. Он оснащен постоянным магнитом из редкоземельного металла с частотой 60 МГц. X-Pulse — единственная настольная система ЯМР, предлагающая полностью широкополосный X-канал, позволяющий измерять 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B и 23Na с помощью одного зонда. Широкий диапазон 1D и 2D измерений может быть выполнен на всех ядрах, 1D спектрах, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES и многих других, включая подавление растворителя и селективное возбуждение. X-Pulse также имеет опции для проточного ЯМР и датчик с переменной температурой, позволяющий измерять образцы в пробирках ЯМР при температуре от 20 °C до 60 °C. Магнит и спектрометр находятся в двух отдельных коробках, вес магнита 149 кг. [26] и электроника весом 22 кг. X-Pulse требует стандартного электропитания и использует стандартные ЯМР-трубки диаметром 5 мм. Управление прибором осуществляется с помощью пакета рабочих процессов SpinFlow, а обработка и манипулирование данными осуществляется с помощью сторонних программных пакетов ЯМР. Производство приборов Pulsar было прекращено в 2019 году после запуска X-Pulse.
Пользователь
[ редактировать ]В 2019 году компания Bruker , давний производитель и лидер рынка высокопроизводительных ЯМР-аппаратов, представила настольный ЯМР Фурье 80 FT-ЯМР. В машине используются постоянные магниты, и она работает с использованием стандартного программного обеспечения Bruker (полноценное программное обеспечение TopSpin 4 для Windows и Linux; а также API на основе Python для Windows и Linux; и упрощенное приложение под названием GoScan). Машина может быть настроена на спектры 1H и 13C (возможно больше по индивидуальному заказу) в режимах 1D и 2D и работает на частоте 80 МГц (1,88 Тл). Машина весит около 93 кг и потребляет при работе менее 300 Вт. [27]
Кью Магнетикс
[ редактировать ]В конце 2021 года компания Q Magnetics представила QM-125, настольный ЯМР-спектрометр 1H 125 МГц (2,9 Тл) с разрешением лучше 0,5 Гц. [28] Прибор содержится в едином корпусе массой 28 кг и подключается к управляющему компьютеру через интерфейс USB. Спектрометр QM-125 не требует от пользователя предварительного переноса образца в пробирку ЯМР. Его можно использовать двумя способами: в режиме обхода, при котором образец берется из источника с помощью шприца и затем вводится в спектрометр; и автоматический режим или режим через дефис, в котором образец доставляется в ВЧ-катушку потоком из другого прибора. Другими функциями, которые поддерживают автоматизированные приложения и приложения с переносом, являются стабильная прокладка, программное обеспечение управления Python с открытым исходным кодом и гидравлические соединения на передней панели. Потребляемая мощность менее 50 Вт и относительно низкая стоимость поддерживают интеграцию в вертикальные и специализированные приложения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Далитц Ф., Кудай М. Майвальд М., Гутхаузен Г. Prog. Маг. 2012, 60, 52-70
- ^ Таттл, Брэд. «Цены на гелий взлетели до небес, в результате чего продажи воздушных шаров упали» . Business.time.com . Проверено 28 октября 2018 г.
- ^ ДиКристина, Мариетт. «Грядущий дефицит гелия» . Блоги.scientificamerican.com . Проверено 28 октября 2018 г.
- ^ Даниэли Э., Маулер Дж., Перло Дж., Блюмих Б., Казанова Ф., J Mag. Рез 2009, 198 (1), 80–87
- ^ Даниэли Э., Перло Дж., Блюмих Б., Казанова Ф., Прикладная химия 2010, 49 (24), 4133–4135
- ^ «Мобильный настольный ЯМР-спектрометр Spinsolve облегчает обучение студентов | Magritek» . www.magritek.com . Проверено 6 августа 2017 г.
- ^ Ибрагимова, Елена; Ибрагимов, Ильгис (2017). «ЭЛЕГАНТНЫЙ ЯМР-спектрометр». arXiv : 1706.00237 [ physical.ins-det ].
- ^ «Эффекты второго порядка в связанных системах» .
- ^ Стивенсон, Дэвид С. и Герхард Бинш. «Автоматизированный анализ спектров ЯМР высокого разрешения. I. Принципы и вычислительная стратегия». Журнал магнитного резонанса 37.3 (1980): 395-407.
- ^ Наполитано, Хосе Г. и др. «Полный спектральный анализ 1H ЯМР десяти химических маркеров гинкго двулопастного». Магнитный резонанс в химии 50.8 (2012): 569-575.
- ^ Якобсен, Н.Е., «Объяснение ЯМР-спектроскопии: упрощенная теория, приложения и примеры для органической химии и структурной биологии», 2007, John Wiley & Sons, Inc.: Хобокен, Нью-Джерси
- ^ Фриболин, Х. «Основная одно- и двумерная ЯМР-спектроскопия», 5-е издание, 2011 г., Wiley-VCH: Германия
- ^ Бергер, С; Браун, С.; «200 и более экспериментов ЯМР: практический курс», 2004 г., Wiley-VCH: Германия.
- ^ «Образцы экспериментов по наанализу для обучения студентов ЯМР» . Архивировано из оригинала 21 августа 2013 г. Проверено 10 июня 2013 г.
- ^ «ЯМР-спектроскопия процессов: технология и онлайн-приложения» Джон К. Эдвардс и Пол Дж. Джамматтео, глава 10 в книге «Процессно-аналитическая технология: спектроскопические инструменты и стратегии реализации для химической и фармацевтической промышленности», 2-е изд., редактор Кэтрин Бакеева , Блэквелл-Уайли, 2010 г.
- ^ «Обзор применения ЯМР-спектроскопии в нефтехимии» Джон К. Эдвардс, глава 16 монографии 9 о спектроскопическом анализе нефтепродуктов и смазочных материалов, редактор: Кишоре Надкарни, ASTM Books, 2011.
- ^ Магритек. «Спинсолв 90» .
- ^ Магритек. «Загрузка брошюры о настольном ЯМР Spinsolve 80» . Go.magritek.com . Проверено 6 августа 2017 г.
- ^ Магритек. «Спинсолв 60» .
- ^ Магритек. «Загрузка брошюры по настольному ЯМР Spinsolve ULTRA» . Go.magritek.com . Проверено 6 августа 2017 г.
- ^ «Множественные X-ядра» .
- ^ «Диффузионные градиенты PDF» .
- ^ «Корпоративный отдел новостей Thermo Fisher Scientific» . News.thermofisher.com . Проверено 28 октября 2018 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы по Thermo Fisher Scientific picoSpin» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 17 октября 2021 г.
- ^ «X-Pulse — это первая в мире настольная система ЯМР, предлагающая настоящие многоядерные возможности — магнитный резонанс» . Оксфордские инструменты . Проверено 18 февраля 2020 г.
- ^ «Спецификация Оксфордского пульсара» (PDF) . Acs.expoplanner.com . Архивировано из оригинала (PDF) 7 августа 2017 г.
- ^ «Настольный ЯМР | Спектрометр | Ядерный магнитный резонанс» . Bruker.com . Проверено 12 августа 2020 г.
- ^ Q Магнетика. «КМ-125» .