ทดลองตั้งค่าความละเอียดสูง ¹H โซลิดสเตต NMR โดย wPMLG

¹โดยหลักการแล้ว H เป็นนิวเคลียสที่มีประโยชน์มากในการตรวจสอบโครงสร้างความละเอียดอะตอมและไดนามิกเนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์สูง (>99%) และอัตราส่วนไจโรแม่เหล็ก (600 MHz ที่ 14.1T) ในความเป็นจริง ¹H คือตัวเลือกแรกของนิวเคลียสในสารละลาย NMR ในทางกลับกัน, ¹H NMR ของของแข็งแข็งนั้นพบได้น้อยกว่ามาก นี้เป็นเพราะ ¹H โซลิดสเตต NMR ให้สเปกตรัมที่กว้างมาก (~50 kHz) และสเปกตรัมที่ไม่มีลักษณะเฉพาะ (รูปที่ 1a) เนื่องจากความเข้มสูง ¹H-¹H ไดโพลาร์คัปปลิ้ง ซึ่งมีค่าเฉลี่ยไดนามิกในสารละลาย การหมุนมุมด้วยเวทย์มนตร์ (MAS) ลบการขยายไปยังลำดับแรก แต่ยังไม่เพียงพอเพื่อให้ได้ความละเอียดสูง ¹H NMR ที่อัตรา MAS ปานกลาง (รูปที่ 1b) มีความพยายามอย่างมากในการเอาชนะปัญหานี้ตั้งแต่วันแรกของ NMR แบบโซลิดสเตตไปสู่ความละเอียดสูง ¹เอช เอ็นเอ็มอาร์ [1] ส่วนใหญ่รวม MAS เข้ากับความซับซ้อน ¹H พัลส์ซึ่งเรียกว่า CRAMPS (การหมุนแบบรวมและสเปกโตรสโกปีแบบพัลส์หลายเครื่อง) ทุกวันนี้ MAS ที่เร็วมาก > 60 kHz สามารถใช้เพื่อให้ได้ความละเอียดสูง ¹H NMR สถานะของแข็ง (รูปที่ 1c) [2] อย่างไรก็ตาม CRAMPS แบบดั้งเดิมยังคงมีประโยชน์ เนื่องจากสามารถใช้กับอุปกรณ์ NMR แบบโซลิดสเตตทั่วไปได้ เช่น โพรบ MAS 4 มม. ที่มีสเปกโตรมิเตอร์ 400 MHz ยิ่งไปกว่านั้น wPMLG ที่อัตรา MAS ปานกลางมักจะครอบงำ MAS ที่รวดเร็วในแง่ของความละเอียด ในหมายเหตุนี้ เราจะอธิบายคำแนะนำบทช่วยสอนเพื่อปรับพารามิเตอร์ทดลองให้เหมาะสมสำหรับ CRAMPS โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราเน้นที่ wPMLG (ลี-โกลด์เบิร์กแบบปรับช่องหน้าต่าง) ซึ่งเป็นหนึ่งในวิธี CRAMPS ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด (รูปที่ 1d) [3]

รูปที่ 1
สเปกตรัม NMR ของโซลิดสเตตของ L-tyrosine.HCl ที่ a) สภาพคงที่ b) 12 kHz MAS, c) 70 kHz MAS และ d) 12 kHz MAS พร้อมการรับ wPMLG ในขณะที่ ac ถูกสังเกตโดย ¹H การทดลองแบบพัลส์เดี่ยว d) ถูกสังเกตภายใต้ wMPLG ¹H-¹เอชดีคัปปลิ้ง สเปกโตรมิเตอร์ JNM-ECZ600R สังเกตสเปกตรัมที่สนามแม่เหล็กสถิต 14.1 T พร้อมโพรบ HXMAS 2 มม. (a, b, d) และ 1 มม. HXMAS (c) ตัวอย่างถูกบรรจุลงในโรเตอร์เต็มปริมาตรโดยไม่มีตัวเว้นวรรค

โครงร่าง wPMLG แสดงในรูปที่ 2 ประกอบด้วยการรวมกลุ่มของพัลส์ (โดยทั่วไปคือ 3-5) พร้อมทางลาดเฟสเชิงเส้น ซึ่งเลียนแบบการเปลี่ยนความถี่ส่งผลให้ลี-โกลด์เบิร์กฉายรังสีสำหรับ ¹H-¹เอชดีคัปปลิ้ง สามารถใช้รูปแบบ PMLG ในลักษณะที่ไม่มีหน้าต่างในมิติทางอ้อม อย่างไรก็ตาม แนะนำให้ใช้ PMLG แบบมีหน้าต่างเพื่อให้โดยตรง ¹ใช้การสังเกต H การเลื่อนเฟส 180 องศาถูกนำไปใช้กับบล็อก wPMLG อื่น ๆ ทุกบล็อกเพื่อให้การสะกดจิตวิวัฒนาการไปตามแกน z เหมือนกับวิวัฒนาการเวลาปกติ [4] สิ่งนี้จะลบส่วนหนึ่งของอาร์ติแฟกต์และอนุญาตให้ปรับใช้ wPMLG กับลำดับที่ซับซ้อนอื่นๆ ได้ง่าย

กุญแจสำคัญในการสังเกต wPMLG ที่ประสบความสำเร็จคือการทดลองปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมที่สุด ลำดับ wPMLG มีพารามิเตอร์ต่างๆ ซึ่งควรได้รับการปรับให้เหมาะสมในการทดลอง กล่าวคือ รอบเวลา ¹ออฟเซ็ต H ระยะเวลาของช่วงการรับ ฯลฯ เงื่อนไขที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับโพรบ อัตรา MAS ตัวอย่าง ฯลฯ และจำเป็นต้องปรับตัวอย่างให้เหมาะสมกับตัวอย่าง แต่เป็นขั้นตอนที่น่าเบื่อและใช้เวลานาน ในที่นี้เราจะแนะนำขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพโดยสังเขปซึ่งเสนอโดย Pruski et al [7] ตามขั้นตอนนี้ เราสามารถค้นหาสภาวะที่เหมาะสมได้อย่างง่ายดายอย่างเป็นระบบ ในแนวทางนี้ สภาวะการทดลองได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มการทำให้เป็นแม่เหล็กตกค้างสูงสุดหลังจากเสียงสะท้อนของการหมุนภายใต้การฉายรังสี PMLG (ลำดับที่แสดงในรูปที่ 3) วิธีนี้จะเพิ่ม T . ให้สูงสุด₂'. แอสที₂' ในของแข็งถูกครอบงำโดย ¹H-¹ปฏิสัมพันธ์ H สูงสุด T₂' ส่งผลให้เหลือขั้นต่ำ ¹H-¹ปฏิสัมพันธ์ H ส่งผลให้มีความละเอียดสูง ¹H NMR สเปกตรัม

การสาธิตการทดลอง

เนื่องจากพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับตัวอย่าง เราแนะนำให้ปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมสำหรับตัวอย่างของคุณมากกว่าตัวอย่างมาตรฐาน พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับ wPMLG คือรอบเวลา ออฟเซ็ต และอัตรา MAS ในอัตรา MAS ที่แน่นอน อันดับแรกสามารถเพิ่มประสิทธิภาพรอบเวลาได้ ออฟเซ็ตสามารถเป็น 5 ppm (หรืออะไรก็ตาม) สำหรับความพยายามครั้งแรก ฟิลด์ rf สามารถเป็น 120-160 kHz [6] ในการพิสูจน์ MAS ระดับปานกลางส่วนใหญ่ เราสามารถใช้ได้ 100% รูปที่ 4 แสดงชุดของ spin echo spectra ที่มีรอบเวลาต่างกันตั้งแต่ 10 ถึง 50 เราทุกๆ 1 เรา

โปรแกรมชีพจร: pmlg_echo_t2.jxp
เกณฑ์: เพิ่มความเข้มของสัญญาณสูงสุด

ดังที่แสดงในรูปที่ 4 ความเข้มของเสียงสะท้อนของการหมุนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ cycle_time ความเข้มของสัญญาณสูงสุดจะปรากฏที่ cycle_time = 16 เรา สเปกตรัม wPMLG ยังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างความเข้มของสัญญาณเสียงสะท้อนการหมุนและความละเอียดของ wPMLG ตัวอย่างเช่น กว้างมาก ¹สังเกตสเปกตรัม H wPMLG ด้วยรอบเวลา = 40 เรา โดยที่ความเข้มเสียงสะท้อนของการหมุนเป็นโมฆะ สเปกตรัมความละเอียดสูงอย่างใดถูกสังเกตที่รอบเวลา = 24 เราซึ่งเป็นค่าสูงสุดในเครื่องที่สอง แต่ความละเอียดนั้นต่ำกว่าที่ cycle_time = 16 เราซึ่งเป็นค่าสูงสุดทั่วโลก
ถัดไป ¹H offset ได้รับการปรับให้เหมาะสม สามารถใช้วิธีการ spin echo อีกครั้งหรือสามารถปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมโดยการตรวจสอบโดยตรง ¹สเปกตรัม H wPMLG ทั้งสองอย่างก็ดี แต่อย่างหลังอาจจะดีกว่าเพราะเราสามารถตรวจสอบสิ่งประดิษฐ์ได้เช่นกัน ในการทดลองการได้มาซึ่งแบบมีหน้าต่าง สิ่งประดิษฐ์ที่มาจากการมอดูเลตที่มีรอบเวลาต่างกันย่อมปรากฏขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ สิ่งประดิษฐ์เหล่านี้ต้องตั้งอยู่นอกพื้นที่สเปกตรัมหรืออย่างน้อยควรหลีกเลี่ยงทับซ้อนกับจุดสูงสุดที่น่าสนใจ รูปที่ 5 แสดงการเพิ่มประสิทธิภาพการทดลองของ ¹H ชดเชยโดยใช้สเปกตรัม wPMLG รอบเวลาถูกตั้งค่าเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดซึ่งได้รับในขั้นตอนก่อนหน้า (ในกรณีนี้คือ 16 เราดูรูปที่ 4) X_offset เปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ -15 ถึง 15 ppm ทุกๆ 1 ppm ความละเอียดที่ดีที่สุดจะปรากฏประมาณ 10 ppm
การปรับให้เหมาะสมของ cycle_time และ x_offset สามารถทำซ้ำได้จนถึงการบรรจบกัน โปรดทราบว่า x_acq_time ต้องสั้นกว่า 50 ms เพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในการพิสูจน์ ¹H rf เกือบจะถูกฉายรังสีอย่างต่อเนื่องในระหว่างการได้มา X_acq_time ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ x_points เท่านั้น แต่ยังรวมถึง cycle_time ด้วย

โปรแกรมพัลส์: wpmlg5.jxp
เกณฑ์: เพิ่มความละเอียดให้สูงสุด หลีกเลี่ยงสิ่งประดิษฐ์ที่ทับซ้อนกันถึงจุดสูงสุด

5 รูป
ชุดของ ¹H wPMLG สเปกตรัมของ L-tyrosine.HCl ภายใต้ 12 kHz MAS ที่ 14.1 T. ¹H offset เปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ -15 ถึง 15 ppm ทุกๆ 1 ppm

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ x_offset ยังสามารถปรับให้เหมาะสมได้ด้วยการเพิ่มความเข้มของสัญญาณเสียงสะท้อนการหมุนสูงสุด (รูปที่ 6) ค่าสูงสุดปรากฏที่ x_offset = 10 ppm ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตของ wPMLG อย่างไรก็ตาม เสียงสะท้อนของการหมุนไม่ได้บอกว่าสิ่งประดิษฐ์ปรากฏที่ใดในสเปกตรัม ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายจะต้องทำโดยการตรวจสอบสเปกตรัมของ wPMLG โดยตรง

6 รูป
ชุดของ ¹H spin echo (wPMLG) สเปกตรัมของ L-tyrosine.HCl ต่ำกว่า 12 kHz MAS ที่ 14.1 T. ¹H offset เปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ -15 ถึง 15 ppm ทุกๆ 1 ppm

รูปที่ 7
สเปกตรัม wPMLG ของ L-tyrosine.HCl ที่ 14.1 T ภายใต้ a) 10 kHz, b) 12 kHz และ c) 15 kHz MAS สเปกตรัมถูกแสดงหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพที่อัตรา MAS แต่ละอัตรา

ควรสังเกตว่าความละเอียดที่ทำได้ดีที่สุดขึ้นอยู่กับอัตรา MAS MAS ที่เร็วกว่าไม่จำเป็นต้องให้ความละเอียดสูงกว่าเสมอไป อันที่จริง 12 kHz MAS ให้ความละเอียดที่ดีที่สุดระหว่าง 10 kHz, 12 kHz และ 15 kHz หลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพ (รูปที่ 7) เราแนะนำให้ปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมที่อัตรา MAS ที่แตกต่างกันหลายอัตราเพื่อให้ได้ความละเอียดสูงสุด นอกจากนี้ยังช่วยหลีกเลี่ยงการมอบหมายสิ่งประดิษฐ์ผิดพลาด ตัวอย่างเช่น รอยแยกที่มีสีเขียวในรูปที่ 7 อาจเป็นสิ่งประดิษฐ์ อย่างไรก็ตาม ตามที่ปรากฏในเงื่อนไขและอัตรา MAS ทั้งหมด เราสามารถสรุปได้อย่างปลอดภัยว่าเป็นการแยกส่วนจริง การทำลินินโรลลิ่งเพิ่มเติมสามารถทำได้โดยการปรับจูนหน้าต่างการรับ, ความแรงของสนาม rf, φ_{ล่าสุด} [5, 6] เป็นต้น เนื่องจาก wPMLG มีความไวต่อความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของช่อง rf [8] การจำกัดปริมาณตัวอย่างด้วยตัวเว้นวรรคอาจช่วยปรับปรุงความละเอียดได้

เราจะแยกแยะสิ่งประดิษฐ์จากสัญญาณจริงได้อย่างไร วิธีหนึ่งดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น เราสามารถเปรียบเทียบสเปกตรัมที่ปรับให้เหมาะสมที่อัตรา MAS ที่ต่างกันได้ อีกทางหนึ่งหรือเพิ่มเติม หนึ่งสามารถกำหนดสิ่งประดิษฐ์โดยเปรียบเทียบสเปกตรัมที่สังเกตด้วยพารามิเตอร์ต่าง ๆ ในอัตรา MAS เดียวกันอย่างระมัดระวัง สิ่งประดิษฐ์เคลื่อนที่อย่างเป็นระบบขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ ดังที่แสดงในรูปที่ 8 เราสามารถกำหนดตำแหน่งที่สิ่งประดิษฐ์ปรากฏได้อย่างง่ายดาย ตัวเลขยังระบุด้วยว่าตำแหน่งของสิ่งประดิษฐ์ค่อนข้างไวต่อพารามิเตอร์การทดลอง หนึ่งสามารถย้ายสิ่งประดิษฐ์ออกจากจุดสูงสุดที่น่าสนใจโดยการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์การทดลองเล็กน้อย (x_offset, cycle_time เป็นต้น) โดยไม่ต้องเสียสละความละเอียดอย่างมีนัยสำคัญ

8 รูป
ชุดสเปกตรัม wPMLG ของ L-tyrosine.HCl ต่ำกว่า 12 kHz MAS ที่ 14.1 T โดยมีค่า a) ออฟเซ็ต และ b) รอบเวลา สิ่งประดิษฐ์ถูกทำเครื่องหมายด้วยสีเขียว

การประมวลผลข้อมูล

ดังที่แสดงไว้ข้างต้น เราสามารถสังเกตความละเอียดสูงได้ ¹สเปกตรัม H NMR โดยใช้ wPMLG อย่างไรก็ตาม มาตราส่วน ppm ในข้อมูลสุดท้ายจะต้องได้รับการแก้ไขด้วยปัจจัยมาตราส่วน นี่เป็นเพราะว่า wPMLG ลดขนาด ppm หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง สเปกตรัม wPML ถูกย่อขนาดในแนวนอน สิ่งนี้จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมในการประมวลผล ขั้นตอนประกอบด้วยสองขั้นตอน 1) การปรับมาตราส่วน ppm และ 2) การแก้ไขการอ้างอิง ส่วนแรกต้องการพีคที่แยกจากกันสองจุดพร้อมการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ทราบ น่าเสียดายที่โดยทั่วไปแล้วการเปลี่ยนแปลงทางเคมีนั้นไม่เป็นที่รู้จัก ซึ่งขัดขวางกระบวนการนี้ เราสามารถสังเกตตัวอย่างมาตรฐานที่มีเงื่อนไขการทดลองเหมือนกันได้ ออฟเซ็ตอาจถูกปรับให้เหมาะสมสำหรับตัวอย่างมาตรฐาน แต่พารามิเตอร์ทดลองที่เหลือจะต้องเหมือนกันเพื่อให้แฟคเตอร์มาตราส่วนเหมือนกัน
ในการสาธิต เราใช้ L-tyrosine.HCl เราใช้สเปกตรัมที่สังเกตได้ที่ 70 kHz เพื่ออ้างอิง เราอาจใช้ค่านิยมจากวรรณกรรมแทน ระยะห่างระหว่างพีคนอกสุดคือ 10.06 ppm (รูปที่ 9) การแยกใน wPMLG คือ 5.19 ppm เนื่องจากการสเกลสเปกตรัม ให้ปัจจัยสเกล 5.19/10.06 = 0.516 ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการประมวลผล "linear_ref" (การแสดงผล -> การอ้างอิง -> การอ้างอิงเชิงเส้น) เราสามารถใส่ค่าผกผันของตัวคูณมาตราส่วนในอัลฟา ข้อมูลที่ประมวลผลให้การแยก 10.06 ppm ขั้นตอนนี้จะแก้ไขการปรับขนาดแนวนอน อย่างไรก็ตาม ข้อมูลอ้างอิงจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขด้วย

9 รูป
a) เสียงสะท้อนหมุนที่ 70 kHz MAS และ b) wPMLG ที่สเปกตรัม MAS 12 kHz ของ L-tyrosine.HCl ที่ 14.1 T. การแยกการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้รับการแก้ไขโดยฟังก์ชัน linear_ref ในรายการกระบวนการ ส่งผลให้มีการแยกค่าสูงสุดที่ถูกต้อง

การอ้างอิงสามารถทำได้บนตัวอย่างเอง หากมีพีคที่ชัดเจนในสเปกตรัม MAS ตัวอย่างเช่น พีคที่ 12.2 ppm ของ L-tyrosine.HCl ได้รับการแก้ไขแม้ที่ 12 kHz MAS (รูปที่ 1b) หากไม่เป็นเช่นนั้น เราสามารถทำซ้ำการทดลองกับตัวอย่างมาตรฐานด้วยเงื่อนไขการทดลองที่เหมือนกัน รวมถึงการชดเชยสำหรับการอ้างอิง การอ้างอิงขั้นสุดท้ายสามารถทำได้โดยการประมวลผล "ข้อมูลอ้างอิง" (การแสดงผล -> ข้อมูลอ้างอิง -> ข้อมูลอ้างอิง) จุดสูงสุดด้านซ้ายสุดจะปรากฏที่ 2.76 ppm หลังจากการประมวลผล linear_ref เนื่องจากพีคนี้ควรปรากฏที่ 12.2 ppm คุณสามารถเพิ่มการประมวลผล "การอ้างอิง" ด้วย "ตำแหน่ง" ที่ 2.76 ppm โดยที่จุดพีคปรากฏขึ้นและ "การอ้างอิง" ที่ 12.2 ppm โดยที่พีคควรปรากฏ การเปรียบเทียบระหว่าง ¹H NMR ที่ 70 kHz และ wPMLG ที่ 12 kHz แสดงในรูปที่ 10 อย่างที่เห็น wPMLG ให้ความละเอียดที่ดีกว่า ¹H ชีพจรเดี่ยวที่ 70 kHz

10 รูป
การประมวลผลอ้างอิง (ซ้าย) และการเปรียบเทียบ 1 มิติของ L-tyrosine.HCl ระหว่าง ¹H ชีพจรเดี่ยวที่ 70 kHz MAS (สีน้ำตาล) และ wPMLG ที่ 12 kHz MAS (สีเขียว)

อ้างอิง:

• [1] KR Mote, V. Agarwal, PK Madhu, Prog. นิวเคลียส แม็กน. เรสัน. สเปกตรัม 97 (2016) 1-39.
• [2] Y. Nishiyama, Solid State Nucl. แม็กน. เรสัน. 78 (2016) 24-36.
• [3] E. Vinogradov, PK Madhu, S. Vega, Chem. สรีรวิทยา เลตต์. 5-6 (1999) 443-450.
• [4] M. Leskes, PK Madhu, S. Vega, J. Chem. สรีรวิทยา 128 (2008) 052309.
• [5] X. Lu, O. Lafon, J. Trebosc, ASL Thankamony, Y. Nishiyama, Z. Gan, PK Madhu, J.-P. อามัวร์, เจ. แม็ก. เรสัน. 223 (2012) 219-227.
• [6] Y. Nishiyama, X. Lu, J. Trebosc, O. Lafon, Z. Gan. PK Madhu, J.-P. อามัวร์, เจ. แม็ก. เรสัน. 214 (2012) 151-158.
• [7] K. Mao, M. Pruski, J. Magn. เรสัน. 203 (2010) 144-149.
• [8] เจ. Hellwagner, L. Grunwald, M. Ochsner, D. Zindel, BH Meier, M. Ernst, Magn. Reson 1 (2020) 13-25. doi.org/10.5194/mr-1-13-2020

โปรดดูไฟล์ PDF สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
หน้าต่างอื่นจะเปิดขึ้นเมื่อคุณคลิก

PDF1.84MB