Persediaan eksperimen resolusi tinggi ¹NMR keadaan pepejal H oleh wPMLG

¹H, pada dasarnya, adalah nukleus yang sangat berguna untuk menyiasat struktur dan dinamik resolusi atom kerana kelimpahan yang tinggi (>99%) dan nisbah gyromagnetik (600 MHz pada 14.1T). Sebenarnya ¹H ialah pilihan pertama nukleus dalam larutan NMR. Selain itu, ¹H NMR pepejal tegar adalah kurang biasa. Ini adalah kerana ¹NMR keadaan pepejal H memberikan spektrum yang sangat luas (~50 kHz) dan tanpa ciri (Rajah 1a) kerana kuat ¹H-¹Gandingan dipolar H, yang dipuratakan secara dinamik dalam larutan. Putaran sudut ajaib (MAS) mengalih keluar peluasan kepada urutan pertama, tetapi tidak mencukupi untuk mencapai resolusi tinggi ¹H NMR pada kadar MAS sederhana (Rajah 1b). Usaha besar telah dibuat untuk mengatasi isu ini dari tarikh awal NMR keadaan pepejal ke arah resolusi tinggi ¹H NMR [1]. Kebanyakannya menggabungkan MAS dengan yang canggih ¹H denyutan yang digelar CRAMPS (putaran gabungan dan spektroskopi nadi berganda). Pada masa kini MAS yang sangat pantas > 60 kHz boleh digunakan untuk mencapai resolusi tinggi ¹NMR keadaan pepejal H (Rajah 1c) [2]. Walau bagaimanapun, CRAMPS tradisional masih berguna kerana ia boleh dilakukan dengan peralatan NMR keadaan pepejal yang sangat konvensional, contohnya probe 4 mm MAS dengan spektrometer 400 MHz. Selain itu, wPMLG pada kadar MAS sederhana sering mengatasi MAS pantas dari segi resolusi. Dalam nota ini, kami akan menerangkan panduan tutorial untuk mengoptimumkan parameter percubaan untuk CRAMPS. Terutamanya, kami memberi tumpuan kepada wPMLG (fasa bertingkap modulated Lee-Goldburg) yang merupakan salah satu kaedah CRAMPS yang paling banyak digunakan (Rajah 1d) [3].

Rajah 1
Spektrum NMR keadaan pepejal L-tirosin.HCl pada a) keadaan statik, b) 12 kHz MAS, c) 70 kHz MAS, dan d) 12 kHz MAS dengan pemerolehan wPMLG. Manakala ac diperhatikan oleh ¹H eksperimen nadi tunggal, d) diperhatikan di bawah wMPLG ¹H-¹H penyahgandingan. Spektrum diperhatikan oleh spektrometer JNM-ECZ600R pada medan magnet statik 14.1 T dengan probe 2 mm HXMAS (a, b, d) dan 1 mm HXMAS (c). Sampel telah dibungkus ke dalam jumlah penuh rotor tanpa sebarang pengatur jarak.

Skim wPMLG ditunjukkan dalam Rajah 2. Ia terdiri daripada berkas (biasanya 3-5) denyutan dengan tanjakan fasa linear. Ini meniru peralihan frekuensi, mengakibatkan penyinaran Lee-Goldburg untuk ¹H-¹H penyahgandingan. Skim PMLG boleh digunakan dalam cara tanpa tingkap dalam dimensi tidak langsung, bagaimanapun, PMLG bertingkap disyorkan supaya ¹Pemerhatian H boleh digunakan. Anjakan fasa 180 darjah digunakan pada setiap blok wPMLG lain supaya kemagnetan berkembang sepanjang paksi z sama seperti evolusi masa biasa [4]. Ini mengalih keluar sebahagian daripada artifak dan membolehkan pelaksanaan wPMLG dengan mudah kepada urutan rumit yang lain.

Kunci kepada pemerhatian wPMLG yang berjaya ialah pengoptimuman keadaan eksperimen. Urutan wPMLG mempunyai pelbagai parameter yang harus dioptimumkan secara eksperimen, iaitu, masa kitaran, ¹H offset, panjang tetingkap pemerolehan dsb. Keadaan terbaik bergantung pada probe, kadar MAS, sampel dsb. dan perlu dioptimumkan sampel ke sampel. Tetapi ia adalah prosedur yang membosankan dan memakan masa. Di sini kami memperkenalkan secara ringkas prosedur pengoptimuman yang dicadangkan oleh Pruski et al. [7] Mengikuti prosedur ini, seseorang boleh dengan mudah mencari keadaan optimum dengan cara yang sistematik. Dalam pendekatan ini, keadaan eksperimen telah dioptimumkan untuk memaksimumkan kemagnetan sisa selepas gema putaran di bawah penyinaran PMLG (jujukan ditunjukkan dalam Rajah 3). Pendekatan ini pada dasarnya memaksimumkan T₂'. Sebagai T₂' dalam pepejal dikuasai oleh ¹H-¹Interaksi H, maksimum T₂' menghasilkan baki minimum ¹H-¹Interaksi H, menghasilkan resolusi tinggi ¹Spektrum H NMR.

Demonstrasi eksperimen

Oleh kerana parameter optimum bergantung pada sampel, kami mengesyorkan untuk mengoptimumkan parameter pada sampel anda dan bukannya sampel standard. Parameter penting untuk wPMLG ialah masa kitaran, ofset dan kadar MAS. Pada kadar MAS tertentu, yang pertama boleh mengoptimumkan masa kitaran. Offset boleh menjadi 5 ppm (atau apa sahaja) untuk percubaan pertama. Medan rf boleh 120-160 kHz [6]. Dalam kebanyakan bukti MAS sederhana, seseorang boleh menggunakan 100%. Rajah 4 menunjukkan satu set spektrum gema putaran dengan masa kitaran yang berbeza-beza dari 10 hingga 50 kami setiap 1 kami.

Program nadi: pmlg_echo_t2.jxp
Kriteria: memaksimumkan keamatan isyarat

Seperti yang ditunjukkan Rajah 4, keamatan gema putaran berbeza-beza bergantung kepada masa_kitaran. Keamatan isyarat maksimum muncul pada cycle_time = 16 us. Spektrum wPMLG juga ditunjukkan dalam Rajah 4. Ini jelas menunjukkan hubungan langsung antara keamatan isyarat gema putaran dan resolusi wPMLG. Sebagai contoh, sangat luas ¹Spektrum H wPMLG diperhatikan dengan masa kitaran = 40 us di mana keamatan gema putaran adalah batal. Entah bagaimana spektrum resolusi tinggi diperhatikan pada masa kitaran = 24 us yang merupakan maksimum tempatan kedua, tetapi resolusinya lebih rendah daripada pada masa kitaran = 16 us yang merupakan maksimum global.
Seterusnya ¹H offset dioptimumkan. Seseorang boleh menggunakan pendekatan spin gema sekali lagi atau boleh mengoptimumkan parameter dengan memantau secara langsung ¹Spektrum H wPMLG. Sama ada baik, tetapi yang kedua mungkin lebih baik kerana seseorang juga boleh memantau artifak itu juga. Dalam eksperimen pemerolehan bertingkap, artifak yang datang daripada modulasi dengan masa kitaran berbeza pasti akan muncul. Artifak ini harus terletak di luar kawasan spektrum atau sekurang-kurangnya bertindih dengan puncak yang menarik harus dielakkan. Rajah 5 menunjukkan pengoptimuman eksperimen bagi ¹H mengimbangi menggunakan spektrum wPMLG. Masa kitaran ditetapkan kepada nilai optimum yang diperolehi dalam langkah sebelumnya (dalam kes ini 16 kita, lihat Rajah 4). X_offset dipelbagaikan dari -15 hingga 15 ppm setiap 1 ppm. Resolusi terbaik muncul sekitar 10 ppm.
Pengoptimuman cycle_time dan x_offset boleh diulang secara berulang sehingga penumpuan. Ambil perhatian bahawa x_acq_time mestilah lebih pendek daripada 50 ms untuk mengelakkan kegagalan membuktikan sebagai ¹H rf hampir disinari secara berterusan semasa pemerolehan. X_acq_time bergantung bukan sahaja pada x_points tetapi juga cycle_time.

Program nadi: wpmlg5.jxp
Kriteria: memaksimumkan resolusi, elakkan artifak bertindih ke puncak.

Rajah 5
Satu set ¹Spektrum H wPMLG L-tirosin.HCl di bawah 12 kHz MAS pada 14.1 T. ¹H ofset dipelbagaikan dari -15 hingga 15 ppm setiap 1 ppm.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, x_offset juga boleh dioptimumkan dengan memaksimumkan keamatan isyarat gema putaran (Rajah 6). Maksimum muncul pada x_offset = 10 ppm, yang sesuai dengan pemerhatian wPMLG. Walau bagaimanapun, gema putaran tidak memberitahu tempat artifak muncul dalam spektrum, oleh itu pengoptimuman akhir perlu dilakukan dengan memantau terus spektrum wPMLG.

Rajah 6
Satu set ¹Spektrum gema putaran H (wPMLG) L-tirosin.HCl di bawah 12 kHz MAS pada 14.1 T. ¹H ofset dipelbagaikan dari -15 hingga 15 ppm setiap 1 ppm.

Rajah 7
Spektrum wPMLG L-tirosin.HCl pada 14.1 T di bawah a) 10 kHz, b) 12 kHz, dan c) 15 kHz MAS. Spektrum ditunjukkan selepas pengoptimuman pada setiap kadar MAS.

Perlu diingatkan bahawa resolusi terbaik yang boleh dicapai bergantung kepada kadar MAS. MAS yang lebih pantas tidak semestinya memberikan resolusi yang lebih tinggi. Malah, 12 kHz MAS memberikan resolusi terbaik antara 10 kHz, 12 kHz dan 15 kHz selepas pengoptimuman (Rajah 7). Kami mengesyorkan untuk mengoptimumkan keadaan pada beberapa kadar MAS yang berbeza untuk mencapai resolusi tertinggi. Ini juga membantu untuk mengelakkan salah letak artifak. Sebagai contoh, pembelahan yang ditanda dengan hijau dalam Rajah 7 boleh menjadi artifak. Walau bagaimanapun, seperti yang ditunjukkan untuk semua syarat dan kadar MAS, kita boleh membuat kesimpulan dengan selamat bahawa ia adalah pemisahan sebenar. Penyempitan garisan lanjut boleh diperoleh dengan penalaan halus tetingkap pemerolehan, kekuatan medan rf, φ_lepas [5, 6] dsb. Memandangkan wPMLG sensitif kepada ketidakhomogenan medan rf [8], mengehadkan volum sampel dengan pengatur jarak boleh membantu mempertingkatkan peleraian.

Bagaimanakah kita boleh membezakan artifak daripada isyarat sebenar? Satu cara adalah seperti yang dinyatakan di atas, seseorang boleh membandingkan spektrum yang dioptimumkan pada kadar MAS yang berbeza. Sebagai alternatif atau tambahan, seseorang boleh menetapkan artifak dengan membandingkan dengan teliti spektrum yang diperhatikan dengan parameter yang berbeza pada kadar MAS yang sama. Artifak bergerak secara sistematik bergantung pada variasi parameter. Seperti yang ditunjukkan Rajah 8, seseorang boleh dengan mudah menetapkan tempat artifak muncul. Angka tersebut juga menunjukkan bahawa kedudukan artifak agak sensitif terhadap parameter eksperimen. Seseorang boleh mengalihkan artifak dari puncak yang diminati dengan mengubah sedikit parameter eksperimen (x_offset, cycle_time dll.) tanpa mengorbankan resolusi dengan ketara.

Rajah 8
Satu set spektrum wPMLG L-tirosin.HCl di bawah 12 kHz MAS pada 14.1 T dengan a) offset dan b) masa kitaran yang berbeza-beza. Artifak ditanda dengan hijau.

Pemprosesan data

Seperti yang ditunjukkan di atas, seseorang boleh memerhatikan resolusi tinggi ¹Spektrum H NMR menggunakan wPMLG. Walau bagaimanapun, skala ppm dalam data akhir perlu diperbetulkan dengan faktor penskalaan. Ini kerana, wPMLG mengecilkan skala ppm, atau dengan kata lain, spektrum wPML mengecut secara mendatar. Ini memerlukan prosedur tambahan dalam pemprosesan. Prosedur ini merangkumi dua langkah; 1) penskalaan semula skala ppm dan 2) membetulkan rujukan. Bahagian pertama memerlukan dua puncak yang dipisahkan dengan anjakan kimia yang diketahui. Malangnya, anjakan kimia biasanya tidak diketahui, menghalang proses ini. Sebaliknya, seseorang boleh memerhatikan sampel standard dengan keadaan eksperimen yang sama. Offset mungkin dioptimumkan untuk sampel standard, tetapi selebihnya parameter eksperimen mestilah sama untuk memastikan faktor penskalaan sama.
Sebagai demonstrasi, kami menggunakan L-tirosin.HCl. Sebagai rujukan, kami menggunakan spektrum yang diperhatikan pada 70 kHz. Sebaliknya, seseorang boleh menggunakan nilai daripada kesusasteraan. Pemisahan antara puncak terluar ialah 10.06 ppm (Rajah 9). Pemisahan dalam wPMLG ialah 5.19 ppm kerana penskalaan spektrum, memberikan faktor penskalaan 5.19/10.06 = 0.516. Ini boleh diperbetulkan dengan pemprosesan "linear_ref" (Paparan -> Rujukan -> Rujukan Linear). Seseorang boleh meletakkan faktor penskalaan songsang dalam alfa. Data yang diproses memberikan pemisahan 10.06 ppm. Prosedur ini membetulkan penskalaan mendatar, bagaimanapun, rujukan perlu diperbetulkan juga.

Rajah 9
a) Gema putaran pada 70 kHz MAS dan b) wPMLG pada spektrum 12 kHz MAS L-tirosin.HCl pada 14.1 T. Pemisahan anjakan kimia diperbetulkan oleh fungsi linear_ref dalam senarai proses, menghasilkan pemisahan puncak yang betul.

Rujukan boleh dilakukan pada sampel itu sendiri jika terdapat puncak yang berbeza dalam spektrum MAS. Sebagai contoh, puncak pada 12.2 ppm L-tirosin.HCl diselesaikan walaupun pada 12 kHz MAS (Rajah 1b). Jika tidak, seseorang boleh mengulangi eksperimen pada sampel standard dengan keadaan eksperimen yang sama termasuk mengimbangi untuk rujukan. Rujukan akhir boleh dilakukan dengan pemprosesan "rujukan" (Paparan -> Rujukan -> Rujukan). Puncak paling kiri muncul pada 2.76 ppm selepas pemprosesan linear_ref. Memandangkan puncak ini sepatutnya muncul pada 12.2 ppm, seseorang boleh menambah pemprosesan "rujukan" dengan "kedudukan" 2.76 ppm di mana puncak muncul dan "Rujukan" 12.2 ppm di mana puncak sepatutnya muncul. Perbandingan antara ¹H NMR pada 70 kHz dan wPMLG pada 12 kHz ditunjukkan dalam Rajah 10. Seperti yang dapat dilihat, wPMLG memberikan resolusi yang lebih baik daripada ¹H nadi tunggal pada 70 kHz.

Rajah 10
Pemprosesan rujukan (kiri) dan perbandingan 1D L-tirosin.HCl antara ¹H nadi tunggal pada 70 kHz MAS (coklat) dan wPMLG pada 12 kHz MAS (hijau).

Rujukan:

• [1] KR Mote, V. Agarwal, PK Madhu, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc 97 (2016) 1-39.
• [2] Y. Nishiyama, Nucl Keadaan Pepejal. Magn. Reson. 78 (2016) 24-36.
• [3] E. Vinogradov, PK Madhu, S. Vega, Chem. Fizik. Lett. 5-6 (1999) 443-450.
• [4] M. Leskes, PK Madhu, S. Vega, J. Chem. Fizik. 128 (2008) 052309.
• [5] X. Lu, O. Lafon, J. Trebosc, ASL Thankamony, Y. Nishiyama, Z. Gan, PK Madhu, J.-P. Amoureux, J. Magn. Reson. 223 (2012) 219-227.
• [6] Y. Nishiyama, X. Lu, J. Trebosc, O. Lafon, Z. Gan. PK Madhu, J.-P. Amoureux, J. Magn. Reson. 214 (2012) 151-158.
• [7] K. Mao, M. Pruski, J. Magn. Reson. 203 (2010) 144-149.
• [8] J. 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

Sila lihat fail PDF untuk mendapatkan maklumat tambahan.
Tetingkap lain terbuka apabila anda mengklik.

PDF 1.84MB