고해상도 실험 설정 ¹wPMLG에 의한 H 고체 NMR

¹원칙적으로 H는 높은 존재비(>99%)와 자이로자기 비율(600T에서 14.1MHz)로 인해 원자 분해능 구조와 역학을 조사하는 데 매우 유용한 핵입니다. 사실로 ¹H는 용액 NMR에서 핵의 첫 번째 선택입니다. 반면에, ¹단단한 고체의 H NMR은 훨씬 덜 일반적입니다. 이 때문입니다 ¹H 고체 NMR은 매우 광범위하고(~50kHz) 특징이 없는 스펙트럼을 제공합니다(그림 1a). ¹H-¹솔루션에서 동적으로 평균화되는 H 쌍극자 결합. 매직 앵글 스피닝(MAS)은 XNUMX차까지의 확장을 제거하지만 고해상도를 달성하기에는 충분하지 않습니다. ¹적당한 MAS 비율의 H NMR(그림 1b). 고체 NMR의 초기부터 고해상도를 향한 이 문제를 극복하기 위해 엄청난 노력을 기울였습니다. ¹H NMR [1]. 그들 대부분은 MAS와 정교한 ¹CRAMPS(회전 및 다중 펄스 분광법 조합)라고 하는 H 펄스. 현재 매우 빠른 MAS > 60kHz를 사용하여 고해상도를 달성할 수 있습니다. ¹H 고체 NMR(그림 1c) [2]. 그러나 전통적인 CRAMPS는 예를 들어 4MHz 분광계가 있는 400mm MAS 프로브와 같은 매우 일반적인 고체 NMR 장비로 수행할 수 있으므로 여전히 유용합니다. 또한 중간 MAS 속도의 wPMLG는 해상도 측면에서 빠른 MAS를 압도하는 경우가 많습니다. 이 노트에서는 CRAMPS에 대한 실험 매개변수를 최적화하기 위한 자습서 지침을 설명합니다. 특히 가장 널리 사용되는 CRAMPS 방법 중 하나인 wPMLG(windowed phase modulated Lee-Goldburg)에 대해 집중적으로 다룬다(그림 1d)[3].

그림 1
a) 정적 조건, b) 12kHz MAS, c) 70kHz MAS, 및 d) wPMLG 획득을 통한 12kHz MAS에서 L-tyrosine.HCl의 고체 상태 NMR 스펙트럼. ac가 관찰되는 동안 ¹H 단일 펄스 실험, d)는 wMPLG에서 관찰됩니다. ¹H-¹H 디커플링. 스펙트럼은 600mm HXMAS(a, b, d) 및 14.1mm HXMAS(c) 프로브가 있는 2T 정적 자기장에서 JNM-ECZ1R 분광기로 관찰되었습니다. 샘플은 스페이서 없이 로터의 전체 부피에 채워졌습니다.

wPMLG 체계는 그림 2에 나와 있습니다. 선형 위상 램프가 있는 펄스(일반적으로 3-5) 묶음으로 구성됩니다. 이것은 주파수 편이를 모방하여 Lee-Goldburg 조사를 초래합니다. ¹H-¹H 디커플링. PMLG 방식은 Indirect 차원에서 Windowless 방식으로 적용할 수 있지만, Direct 차원에서는 Windowed PMLG를 권장한다. ¹H 관찰이 적용 가능합니다. 180도 위상 편이는 다른 모든 wPMLG 블록에 적용되어 규칙적인 시간 전개와 동일하게 z축을 따라 자화가 전개되도록 합니다[4]. 이렇게 하면 아티팩트의 일부가 제거되고 다른 복잡한 시퀀스에 wPMLG를 쉽게 구현할 수 있습니다.

성공적인 wPMLG 관찰의 핵심은 조건의 실험적 최적화입니다. wPMLG 시퀀스에는 실험적으로 최적화되어야 하는 다양한 매개변수, 즉 사이클 시간, ¹H 오프셋, 획득 창의 길이 등 최상의 조건은 프로브, MAS 속도, 샘플 등에 따라 다르며 샘플마다 최적화되어야 합니다. 그러나 그것은 지루하고 시간이 많이 걸리는 절차였습니다. 여기서 우리는 Pruski et al이 제안한 최적화 절차를 간략하게 소개합니다. 이러한 절차를 따르면 체계적으로 최적의 조건을 쉽게 찾을 수 있다. 이 접근법에서 실험 조건은 PMLG 조사 하에서 스핀 에코 후 잔류 자화를 최대화하도록 최적화되었습니다(시퀀스는 그림 7에 표시됨). 이 접근 방식은 본질적으로 T를 최대화합니다.₂'. T로₂'고체에서 지배적이다 ¹H-¹H 상호 작용, 최대 T₂' 최소 잔차 발생 ¹H-¹H 상호 작용으로 고해상도 생성 ¹H NMR 스펙트럼.

실험적 시연

최적의 매개변수는 샘플에 따라 다르므로, 표준 샘플이 아닌 샘플에서 매개변수를 최적화하는 것이 좋습니다. wPMLG의 중요한 매개변수는 주기 시간, 오프셋 및 MAS 비율입니다. 특정 MAS 속도에서 첫 번째는 주기 시간을 최적화할 수 있습니다. 오프셋은 첫 번째 시도에서 5ppm(또는 무엇이든)이 될 수 있습니다. rf 필드는 120-160kHz가 될 수 있습니다[6]. 대부분의 중간 MAS 증명에서는 100%를 사용할 수 있습니다. 그림 4는 10us마다 50에서 1us까지 다양한 주기 시간을 갖는 일련의 스핀 에코 스펙트럼을 보여줍니다.

펄스 프로그램: pmlg_echo_t2.jxp
기준: 신호 강도 최대화

그림 4에서 볼 수 있듯이 스핀 에코 강도는 cycle_time에 따라 달라집니다. 최대 신호 강도는 cycle_time = 16us에서 나타납니다. wPMLG 스펙트럼도 그림 4에 나와 있습니다. 이것은 스핀 에코 신호 강도와 wPMLG 해상도 사이의 직접적인 관계를 명확하게 보여줍니다. 예를 들어, 매우 광범위 ¹H wPMLG 스펙트럼은 스핀 에코 강도가 null인 주기 시간 = 40us에서 관찰되었습니다. 두 번째 local maxima인 cycle time = 24 us에서 다소 고해상도 스펙트럼이 관찰되었으나 global maxima인 cycle_time = 16 us에서 분해능이 떨어진다.
다음 보기 ¹H 오프셋이 최적화됩니다. 스핀 에코 방식을 다시 사용하거나 직접 모니터링하여 파라미터를 최적화할 수 있습니다. ¹HwPMLG 스펙트럼. 어느 쪽이든 괜찮지만 아티팩트도 모니터링할 수 있으므로 후자가 더 나을 수 있습니다. 윈도우 획득 실험에서는 주기 시간이 다른 변조에서 나오는 아티팩트가 불가피하게 나타납니다. 이러한 아티팩트는 스펙트럼 영역 외부에 위치해야 하거나 최소한 관심 있는 피크와 겹치는 것을 피해야 합니다. 그림 5는 실험적 최적화를 보여줍니다. ¹wPMLG 스펙트럼을 사용한 H 오프셋. 사이클 시간은 이전 단계에서 얻은 최적의 값으로 설정됩니다(이 경우 16us, 그림 4 참조). X_offset은 15ppm마다 -15에서 1ppm까지 다양합니다. 최상의 해상도는 약 10ppm에 나타납니다.
cycle_time과 x_offset의 최적화는 수렴될 때까지 반복적으로 반복할 수 있습니다. 실패를 증명하기 위해 x_acq_time은 50ms보다 짧아야 합니다. ¹H rf는 획득하는 동안 거의 지속적으로 조사됩니다. X_acq_time은 x_points뿐만 아니라 cycle_time에도 의존합니다.

펄스 프로그램: wpmlg5.jxp
기준: 해상도를 최대화하고 아티팩트가 피크에 겹치지 않도록 합니다.

Fig 5
일련의 ¹12T에서 14.1kHz MAS 하에서 L-티로신.HCl의 H wPMLG 스펙트럼. ¹H 오프셋은 15ppm마다 -15에서 1ppm까지 다양합니다.

앞에서 언급했듯이 x_offset은 스핀 에코 신호 강도를 최대화하여 최적화할 수도 있습니다(그림 6). 최대값은 x_offset = 10ppm에서 나타나며 이는 wPMLG 관찰 결과와 잘 일치합니다. 그러나 스핀 에코는 스펙트럼에서 아티팩트가 나타나는 위치를 알려주지 않으므로 wPMLG 스펙트럼을 직접 모니터링하여 최종 최적화를 수행해야 합니다.

Fig 6
일련의 ¹12T에서 14.1kHz MAS 하에서 L-티로신.HCl의 H 스핀 에코(wPMLG) 스펙트럼. ¹H 오프셋은 15ppm마다 -15에서 1ppm까지 다양합니다.

그림 7
a) 14.1kHz, b) 10kHz 및 c) 12kHz MAS 하에서 15T에서 L-티로신.HCl의 wPMLG 스펙트럼. 스펙트럼은 각 MAS 속도에서 최적화 후 표시되었습니다.

달성 가능한 최상의 해상도는 MAS 속도에 따라 달라집니다. 더 빠른 MAS가 반드시 더 높은 해상도를 제공하는 것은 아닙니다. 실제로 12kHz MAS는 최적화 후 10kHz, 12kHz 및 15kHz 중에서 가장 좋은 해상도를 제공합니다(그림 7). 최고의 분해능을 달성하려면 여러 가지 다른 MAS 속도에서 조건을 최적화하는 것이 좋습니다. 이것은 또한 아티팩트의 잘못된 할당을 방지하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 그림 7에서 녹색으로 표시된 분할은 아티팩트일 수 있습니다. 그러나 모든 조건과 MAS 비율에 대해 나타나므로 실제 분할이라고 안전하게 결론을 내릴 수 있습니다. 획득 창, rf 전계 강도, φ의 미세 조정을 통해 추가 선형화를 얻을 수 있습니다._지난 [5, 6] 등. wPMLG는 rf 필드 비균질성에 민감하기 때문에[8], 스페이서로 샘플 부피를 제한하면 분해능을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

실제 신호와 아티팩트를 어떻게 구별할 수 있습니까? 한 가지 방법은 위에서 언급한 대로 다른 MAS 속도에서 최적화된 스펙트럼을 비교할 수 있습니다. 대안적으로 또는 추가적으로 동일한 MAS 속도에서 다른 매개변수로 관찰된 스펙트럼을 주의 깊게 비교하여 아티팩트를 할당할 수 있습니다. 인공물은 매개변수의 변화에 ​​따라 체계적으로 움직입니다. 그림 8과 같이 아티팩트가 나타나는 위치를 쉽게 지정할 수 있습니다. 그림은 또한 아티팩트의 위치가 실험 매개변수에 매우 민감함을 나타냅니다. 해상도를 크게 희생하지 않고 실험 매개변수(x_offset, cycle_time 등)를 약간 변경하여 관심 피크에서 아티팩트를 멀리 이동할 수 있습니다.

Fig 8
다양한 a) 오프셋 및 b) 사이클 시간을 갖는 12T에서 14.1kHz MAS 하의 L-티로신.HCl의 wPMLG 스펙트럼 세트. 인공물은 녹색으로 표시됩니다.

데이터 처리

위와 같이 고해상도로 볼 수 있습니다. ¹wPMLG를 사용한 H NMR 스펙트럼. 그러나 최종 데이터의 ppm 스케일은 스케일링 계수로 보정해야 합니다. 이는 wPMLG가 ppm 척도를 축소하기 때문입니다. 즉, wPML 스펙트럼이 수평으로 축소되기 때문입니다. 이를 위해서는 추가 처리 절차가 필요했습니다. 절차에는 두 단계가 포함됩니다. 1) ppm 척도 재조정 및 2) 참조 수정. 첫 번째 부분에는 화학적 이동이 알려진 두 개의 분리된 피크가 필요합니다. 불행하게도 화학적 이동은 일반적으로 알려져 있지 않아 이 과정을 방해합니다. 대신 동일한 실험 조건으로 표준 샘플을 관찰할 수 있습니다. 오프셋은 표준 샘플에 대해 최적화될 수 있지만 배율 인수를 동일하게 유지하려면 나머지 실험 매개변수가 동일해야 합니다.
시연으로 L-tyrosine.HCl을 사용합니다. 참고로 70kHz에서 관찰되는 스펙트럼을 사용합니다. 대신 문헌의 값을 사용할 수 있습니다. 가장 바깥쪽 피크 사이의 간격은 10.06ppm입니다(그림 9). wPMLG의 분리는 스펙트럼 스케일링으로 인해 5.19ppm이며 스케일링 계수는 5.19/10.06 = 0.516입니다. 이것은 "linear_ref"(Display -> Reference -> Linear Reference) 처리로 수정할 수 있습니다. 알파에 스케일링 계수의 역을 넣을 수 있습니다. 처리된 데이터는 10.06ppm의 분리를 제공합니다. 이 절차는 수평 스케일링을 수정하지만 참조도 수정해야 합니다.

Fig 9
a) 70kHz MAS에서의 스핀 에코 및 b) 12T에서 L-tyrosine.HCl의 14.1kHz MAS 스펙트럼에서의 wPMLG. 화학적 이동의 분리는 프로세스 목록의 linear_ref 함수에 의해 수정되어 정확한 피크 분리가 이루어집니다.

MAS 스펙트럼에 뚜렷한 피크가 있는 경우 샘플 자체에서 참조를 수행할 수 있습니다. 예를 들어, L-tyrosine.HCl의 12.2ppm 피크는 12kHz MAS에서도 분해됩니다(그림 1b). 그렇지 않은 경우 참조를 위한 오프셋을 포함하여 동일한 실험 조건으로 표준 샘플에 대한 실험을 반복할 수 있습니다. 최종 참조는 "참조"(표시 -> 참조 -> 참조) 처리를 통해 수행할 수 있습니다. 가장 왼쪽 피크는 linear_ref 처리 후 2.76ppm에서 나타납니다. 이 피크는 12.2ppm에서 나타나야 하므로 피크가 나타나야 하는 2.76ppm의 "위치"와 피크가 나타나야 하는 12.2ppm의 "참조" 처리를 추가할 수 있습니다. 사이의 비교 ¹70kHz에서의 H NMR 및 12kHz에서의 wPMLG는 그림 10에 나와 있습니다. 볼 수 있듯이 wPMLG는 ¹H 70kHz에서 단일 펄스.

Fig 10
참조 처리(왼쪽) 및 L-tyrosine.HCl의 1D 비교 ¹70kHz MAS(갈색)의 H 단일 펄스 및 12kHz MAS(녹색)의 wPMLG.

참조 :

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

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