Экспериментальная установка высокого разрешения ¹H ЯМР твердого тела с помощью wPMLG

¹H в принципе является очень полезным ядром для исследования структур и динамики с атомарным разрешением из-за его высокого содержания (> 99%) и гиромагнитного отношения (600 МГц при 14.1 Тл). Фактически ¹H - это ядро ​​​​первого выбора в ЯМР раствора. С другой стороны, ¹H ЯМР твердых тел встречается гораздо реже. Это потому что ¹H ЯМР твердого тела дает очень широкие (~ 50 кГц) и невыразительные спектры (рис. 1а) из-за сильного ¹H-¹H дипольная связь, которая динамически усредняется в решении. Вращение под магическим углом (MAS) устраняет уширение до первого порядка, но этого недостаточно для достижения высокого разрешения. ¹H ЯМР при умеренной скорости MAS (рис. 1b). Были предприняты огромные усилия, чтобы решить эту проблему, начиная с первых дней твердотельного ЯМР и заканчивая высоким разрешением. ¹Н ЯМР [1]. Большинство из них сочетают MAS со сложным ¹H-импульсы, получившие название CRAMPS (комбинированная спектроскопия вращения и множественных импульсов). В настоящее время для достижения высокого разрешения можно использовать очень быстрые MAS > 60 кГц. ¹H ЯМР твердого тела (рис. 1c) [2]. Тем не менее, традиционный CRAMPS по-прежнему полезен, поскольку его можно проводить с помощью очень обычного твердотельного ЯМР-оборудования, например, 4-мм зонда MAS со спектрометром с частотой 400 МГц. Более того, wPMLG при умеренной скорости MAS часто превосходит быструю MAS с точки зрения разрешения. В этой заметке мы опишем руководство по оптимизации экспериментальных параметров для CRAMPS. Особое внимание мы уделяем wPMLG (оконная фазовая модуляция Lee-Goldburg), которая является одним из наиболее широко используемых методов CRAMPS (рис. 1d) [3].

Рисунок 1
Спектры ЯМР твердого тела L-тирозин.HCl в а) статических условиях, б) MAS 12 кГц, c) MAS 70 кГц и d) MAS 12 кГц с получением wPMLG. В то время как переменный ток наблюдается ¹H одноимпульсные эксперименты, d) наблюдается при wMPLG ¹H-¹H развязка. Спектры наблюдали на спектрометре JNM-ECZ600R в постоянном магнитном поле 14.1 Тл с зондами HXMAS 2 мм (а, б, г) и 1 мм HXMAS (в). Образцы упаковывались в полный объем роторов без прокладок.

Схема wPMLG показана на рис. 2. Она состоит из пакетов (обычно 3-5) импульсов с линейным нарастанием фазы. Это имитирует частотный сдвиг, приводящий к облучению Ли-Гольдбурга в течение ¹H-¹H развязка. Схема PMLG может применяться без окон в непрямом измерении, однако рекомендуется использовать оконный PMLG, чтобы ¹H наблюдение применимо. Фазовый сдвиг на 180 градусов применяется к каждому другому блоку wPMLG, так что намагниченность развивается вдоль оси z так же, как обычное изменение во времени [4]. Это удаляет часть артефакта и позволяет легко реализовать wPMLG для других сложных последовательностей.

Ключом к успешному наблюдению wPMLG является экспериментальная оптимизация условий. Последовательность wPMLG имеет различные параметры, которые следует оптимизировать экспериментально, а именно время цикла, ¹Смещение H, длина окна сбора данных и т. д. Наилучшие условия зависят от датчика, скорости MAS, образца и т. д. и должны быть оптимизированы от образца к образцу. Но это была утомительная и длительная процедура. Здесь мы кратко представляем процедуру оптимизации, предложенную Pruski et al. [7] Следуя этой процедуре, можно легко систематически найти оптимальное состояние. В этом подходе экспериментальные условия были оптимизированы для максимизации остаточной намагниченности после спинового эха при облучении PMLG (последовательность показана на рис. 3). Этот подход существенно максимизирует T₂'. Как Т₂в твердых телах преобладают ¹H-¹H взаимодействий, максимальное T₂' приводит к минимальному остатку ¹H-¹H взаимодействий, что приводит к высокому разрешению ¹Спектры ЯМР XNUMXН.

Экспериментальная демонстрация

Поскольку оптимальный параметр зависит от образца, мы рекомендуем оптимизировать параметры на вашем образце, а не на стандартном образце. Важнейшими параметрами для wPMLG являются время цикла, смещение и скорость MAS. При определенной скорости MAS, во-первых, можно оптимизировать время цикла. Смещение может быть 5 частей на миллион (или любое другое значение) для первой попытки. ВЧ поле может быть 120-160 кГц [6]. В большинстве умеренных доказательств MAS можно использовать 100%. На рис. 4 показан набор спектров спинового эха с изменяющимся временем цикла от 10 до 50 мкс через каждый 1 мкс.

Импульсная программа: pmlg_echo_t2.jxp
Критерий: максимальная интенсивность сигнала

Как показано на рис. 4, интенсивность спинового эха меняется в зависимости от цикла_времени. Максимальная интенсивность сигнала появляется при цикле_время = 16 мкс. Спектры wPMLG также показаны на рис. 4. Это ясно показывает прямую зависимость между интенсивностью сигнала спинового эха и разрешением wPMLG. Например, очень широкий ¹Спектр H wPMLG наблюдался с временем цикла = 40 мкс, где интенсивность спинового эха равна нулю. Каким-то образом наблюдался спектр высокого разрешения при времени цикла = 24 мкс, что является вторым локальным максимумом, но разрешение уступает разрешению при цикле = 16 мкс, что является глобальным максимумом.
Следующая ¹Смещение по горизонтали оптимизировано. Можно снова использовать метод спинового эха или оптимизировать параметры путем прямого мониторинга. ¹Спектры H wPMLG. Любой из них хорош, но последний может быть лучше, поскольку можно также отслеживать артефакт. В экспериментах с оконным захватом неизбежно появляются артефакты, возникающие из-за модуляций с разным временем цикла. Эти артефакты должны быть расположены за пределами спектральной области или, по крайней мере, следует избегать перекрытия интересующих пиков. На рис. 5 показана экспериментальная оптимизация ¹Смещение H с использованием спектров wPMLG. Время цикла устанавливается на оптимальное значение, полученное на предыдущем шаге (в данном случае 16 мкс, см. рис. 4). X_offset изменяется от -15 до 15 ppm через каждые 1 ppm. Лучшее разрешение появляется около 10 частей на миллион.
Оптимизацию cycle_time и x_offset можно многократно повторять до сходимости. Обратите внимание, что x_acq_time должно быть короче 50 мс, чтобы избежать подтверждения отказа, поскольку ¹H rf почти непрерывно излучается во время сбора данных. X_acq_time зависит не только от x_points, но и от cycle_time.

Импульсная программа: wpmlg5.jxp
Критерий: максимизировать разрешение, избегать наложения артефактов на пики.

рис 5
Набор ¹Спектры H wPMLG L-тирозина.HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл. ¹Смещение H изменяется от -15 до 15 частей на миллион через каждые 1 часть на миллион.

Как упоминалось ранее, x_offset также можно оптимизировать, максимизируя интенсивность сигнала спинового эха (рис. 6). Максимум появляется при x_offset = 10 ppm, что хорошо согласуется с наблюдением wPMLG. Однако спиновое эхо не говорит, где появляются артефакты в спектрах, поэтому окончательная оптимизация должна выполняться путем непосредственного наблюдения за спектрами wPMLG.

рис 6
Набор ¹Спектры H-спинового эха (wPMLG) L-тирозина.HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл. ¹Смещение H изменяется от -15 до 15 частей на миллион через каждые 1 часть на миллион.

Рисунок 7
Спектры wPMLG L-тирозина HCl при 14.1 Тл при а) 10 кГц, б) 12 кГц и в) 15 кГц MAS. Спектры показаны после оптимизации для каждой скорости MAS.

Следует отметить, что наилучшее достижимое разрешение зависит от скоростей MAS. Более быстрый MAS не обязательно дает более высокое разрешение. Фактически, 12 кГц MAS дает лучшее разрешение среди 10 кГц, 12 кГц и 15 кГц после оптимизации (рис. 7). Мы рекомендуем оптимизировать условия при нескольких различных скоростях MAS для достижения максимального разрешения. Это также помогает избежать неправильного назначения артефактов. Например, расщепление, отмеченное зеленым на рис. 7, может быть артефактом. Однако, как это видно для всех условий и скорости MAS, мы можем с уверенностью заключить, что это реальные расщепления. Дальнейшее сужение линии можно получить путем точной настройки окна сбора данных, напряженности радиочастотного поля, φ_{последний} [5, 6] и т. д. Поскольку wPMLG чувствителен к неоднородности радиочастотного поля [8], ограничение объема образца прокладками может помочь улучшить разрешение.

Как мы можем отличить артефакты от реального сигнала? Один из способов, как упоминалось выше, заключается в том, что можно сравнивать спектры, оптимизированные для разных скоростей MAS. В качестве альтернативы или дополнительно можно присвоить артефакты путем тщательного сравнения спектров, наблюдаемых с разными параметрами при одной и той же скорости MAS. Артефакт систематически перемещается в зависимости от изменения параметров. Как показано на рис. 8, можно легко указать, где появляются артефакты. На рисунке также видно, что положение артефактов весьма чувствительно к экспериментальным параметрам. Артефакт можно отодвинуть от интересующих пиков, слегка изменив экспериментальные параметры (x_offset, cycle_time и т. д.) без существенного ущерба для разрешения.

рис 8
Набор спектров wPMLG L-тирозина HCl при MAS 12 кГц при 14.1 Тл с различными а) смещениями и б) временем цикла. Артефакты отмечены зеленым цветом.

Обработка данных

Как показано выше, можно наблюдать высокое разрешение ¹Спектры H ЯМР с использованием wPMLG. Однако масштаб ppm в окончательных данных должен быть скорректирован с помощью коэффициента масштабирования. Это связано с тем, что wPMLG уменьшает шкалу ppm, или, другими словами, спектры wPML уменьшаются по горизонтали. Это потребовало дополнительной процедуры обработки. Процедура включает два этапа; 1) перемасштабирование шкалы ppm и 2) исправление привязки. В первой части нужны два отдельных пика с известными химическими сдвигами. К сожалению, химические сдвиги обычно неизвестны, что затрудняет этот процесс. Вместо этого можно наблюдать стандартный образец с идентичными условиями эксперимента. Смещение может быть оптимизировано для стандартных образцов, но остальные экспериментальные параметры должны быть одинаковыми, чтобы коэффициент масштабирования оставался идентичным.
В качестве демонстрации мы используем L-тирозин.HCl. В качестве эталона мы используем спектр, наблюдаемый на частоте 70 кГц. Вместо этого можно использовать значения из литературы. Расстояние между крайними пиками составляет 10.06 частей на миллион (рис. 9). Разделение в wPMLG составляет 5.19 частей на миллион из-за спектрального масштабирования, что дает коэффициент масштабирования 5.19/10.06 = 0.516. Это можно исправить с помощью обработки «linear_ref» (Display -> Reference -> Linear Reference). В альфу можно поместить инверсию коэффициента масштабирования. Обработанные данные дают разделение 10.06 частей на миллион. Эта процедура исправляет масштабирование по горизонтали, однако эталонная точка также должна быть скорректирована.

рис 9
a) Спиновое эхо при 70 кГц MAS и b) wPMLG при 12 кГц MAS спектры L-тирозина.HCl при 14.1 Тл. Разделение химического сдвига корректируется с помощью функции linear_ref в списке процессов, что приводит к правильному разделению пиков.

Привязка может быть сделана на самом образце, если в спектрах MAS есть отчетливый пик. Например, пики при 12.2 ppm L-тирозина. HCl разрешаются даже при 12 кГц MAS (рис. 1b). Если нет, то можно повторить эксперименты на стандартном образце с идентичными условиями эксперимента, включая смещение для отсчета. Окончательное привязывание может быть выполнено путем обработки «эталона» (Отображение -> Ссылка -> Ссылка). Крайний левый пик появляется при 2.76 ppm после обработки linear_ref. Поскольку этот пик должен появиться при 12.2 млн-2.76, можно добавить «эталонную» обработку с «позицией» 12.2 млн-XNUMX, где появляется пик, и «эталоном» XNUMX млн-XNUMX, где пик должен появиться. Сравнение между ¹H ЯМР при 70 кГц и wPMLG при 12 кГц показаны на рис. 10. Как видно, wPMLG дает даже лучшее разрешение, чем ¹Одиночный импульс H на частоте 70 кГц.

рис 10
Эталонная обработка (слева) и одномерное сравнение L-тирозина.HCl между ¹Одиночный импульс H на частоте MAS 70 кГц (коричневый) и wPMLG на частоте MAS 12 кГц (зеленый).

Ссылки:

• [1] К. Р. Моут, В. Агарвал, П. К. Мадху, Prog. Нукл. Магн. Резон. Спектроск 97 (2016) 1-39.
• [2] Y. Nishiyama, Solid State Nucl. Магн. Резон. 78 (2016) 24-36.
• [3] E. Vinogradov, PK Madhu, S. Vega, Chem. физ. лат. 5-6 (1999) 443-450.
• [4] M. Leskes, PK Madhu, S. Vega, J. Chem. физ. 128 (2008) 052309.
• [5] С. Лу, О. Лафон, Дж. Требоск, А. С. Танкамони, Ю. Нишияма, З. Ган, П. К. Мадху, Дж.-П. Амуре, Дж. Магн. Резон. 223 (2012) 219-227.
• [6] Y. Nishiyama, X. Lu, J. Trebosc, O. Lafon, Z. Gan. П.К. Мадху, Ж.-П. Амуре, Дж. Магн. Резон. 214 (2012) 151-158.
• [7] К. Мао, М. Пруски, Дж. Магн. Резон. 203 (2010) 144-149.
• [8] J. Hellwagner, L. Grunwald, M. Ochsner, D. Zindel, BH Meier, M. Ernst, Magn. Резон 1 (2020) 13-25. doi.org/10.5194/mr-1-13-2020

Дополнительную информацию см. в файле PDF.
Другое окно открывается при нажатии.

PDF 1.84 МБ