2D гомоядерная корреляция 1H ЯМР твердого тела с помощью wPMLG

НМ200011E

Многомерная корреляционная ЯМР-спектроскопия, обеспечивающая межъядерную близость/связность, играет решающую роль в исследовании структур атомного разрешения. Особенно, ¹H-¹H-гомоядерная корреляционная спектроскопия является весьма полезным источником информации из-за высокого содержания (> 99%) и гиромагнитного отношения, что приводит к сильным межъядерным взаимодействиям. Благодаря развитию высокого разрешения ¹H ЯМР твердого тела, теперь можно наблюдать ¹H-¹H-корреляция твердотельного ЯМР высокого разрешения [1]. Есть две отличительные категории; 1) одиночная квантовая (SQ)/SQ корреляция и 2) двойная квантовая (DQ)/SQ корреляция. В этой заметке мы вводим 2D¹H кв/ ¹H SQ и ¹Н ДК/ ¹Корреляционная спектроскопия H SQ для исследования межъядерной близости с использованием высокого разрешения¹Методы H ЯМР твердого тела.

¹H кв/ ¹Корреляции H SQ

Когерентность SQ наблюдается в косвенных t₁измерения, таким образом, в обоих измерениях появляются по существу одни и те же спектры. Это упрощает спектральную интерпретацию. Связность можно прочитать по недиагональным поперечным пикам. Последовательность практически такая же, как и в экспериментах NOESY, но wPMLG применяется во время t.₁ и т₂ размеры для достижения ¹H-¹Развязка H во время эволюции спина (рис. 1). Первый импульс возбуждает SQ-когерентность. Вслед за т₁ эволюции намагниченность сохраняется вдоль оси z вторым 90-градусным импульсом. ¹H намагниченность распространяется на другие ¹Hs во время перемешивания. Наконец, намагниченность наблюдается в течение t₂после третьего 90-градусного импульса. В этом подходе¹H-¹Корреляция H устанавливается во время смешивания между измерениями косвенного SQ и прямого SQ. Поскольку намагниченность сохраняется вдоль оси z, можно увеличить время перемешивания до порядка ¹HT₁, что позволяет передавать множественную ретрансляционную когерентность или спиновую диффузию. Таким образом, SQ/SQ потенциально может обеспечить корреляцию на большом расстоянии (~100 А). Кроме того, полуколичественное измерение расстояния может быть достигнуто за счет наблюдения за нарастанием корреляционных пиков. Обычно кривая нарастания оценивается с помощью эмпирического уравнения спиновой диффузии [2], однако также может применяться явный расчет спиновой динамики [3]. Одним из недостатков является наличие некоррелированного пика на диагональной линии. Это затрудняет наблюдение корреляций между ядрами, обладающими одинаковыми или очень близкими химическими сдвигами.

Рисунок 1.
Последовательность импульсов (слева) и схематическое изображение ¹H кв/¹Спектр корреляции H SQ (справа).

¹H кв/ ¹Корреляции H SQ: экспериментальная установка

Развязка wPMLG оптимизирована с помощью экспериментов спинового эха. Мы рекомендуем суперцикл wPMLG с вращением по оси z, чтобы избежать необходимости подстройки импульсов. Поскольку в непрямом измерении окно сбора данных не требуется, безоконный PMLG или другой безоконный ¹H-¹H последовательностей развязки можно использовать во время t₁. Однако это вводит другой коэффициент масштабирования в t₁ размер, чем в t₂, усложняющая обработку. Здесь мы рекомендуем использовать тот же ¹Последовательность развязки H как t₂ размер для простоты. Непрямая ширина спектра автоматически синхронизируется с блоком wPMLG и определяется LG_Loop в программе импульсов. Сигнал дискретизируется каждый раз LG_Loop блока wPMLG в косвенном измерении. Максимизируя LG_LOOP или минимизируя непрямую ширину спектра, можно сократить время эксперимента. Можно легко оптимизировать минимальную непрямую ширину спектра, исследуя спектр 1D wPMLG. Поскольку одномерный спектр wPMLG выбирается в каждом блоке wPMLG, ширина спектра автоматически устанавливается равной 1/цикл_время. Таким образом, спектральный диапазон составляет от -1/(1 x время_цикла) до +2/(1 x время_цикла). Если пики появляются только между -2/(nx 1 x цикл_время) до +2/(nx 1 x цикл_время), можно безопасно отбирать сигнал каждые nx циклов wPMLG. Как показано на рис. 2, LG_LOOP = 2 достаточно широк, чтобы покрыть спектральный диапазон в этом случае. Однако артефакты, которые появляются за пределами области пика, будут свернуты в спектральный диапазон, если установить LG_LOOP больше единицы.
Таким образом, если позволяет время, LG_LOOP = 1 предпочтительнее, чтобы избежать сложности. С ¹H-¹Диффузия спинов H происходит достаточно быстро при умеренной скорости MAS, в большинстве случаев радиочастотное поле не применяется во время перемешивания. Однако при необходимости может применяться последовательность повторного соединения/разъединения [4]. Поскольку время смешивания работает как z-фильтр, или, другими словами, остаточная поперечная намагниченность подавляется во время смешивания, для выбора пути когерентности достаточно двухэтапного фазового циклирования. В случае нулевого или очень короткого времени смешивания для подавления поперечной намагниченности во время смешивания требуется дополнительное 2-ступенчатое фазовое циклирование, которое составляет общее 3-ступенчатое фазовое циклирование. В то время как длительное время смешивания может быть использовано для диффузии ¹H намагничивание к удаленному¹Hs, время смешивания должно быть меньше, чем ¹HT₁. В противном случае сигнал будет потерян.

2 рис.
¹Спектр H wPMLG L-тирозина.HCl при 12 кГц при 14.1 Тл. Ширина спектра автоматически устанавливается равной 1/цикл_время. Поскольку все пики появляются в диапазоне от -1/(4 x 2 x продолжительность_цикла) до +1/(4 x 2 x продолжительность_цикла), выборки каждые четыре цикла wPMLG достаточно, чтобы покрыть всю спектральную область в косвенном измерении ¹H кв/¹Спектры корреляции H SQ.

¹H кв/ ¹Корреляции H SQ: обработка данных

Прямое измерение такое же, как 1D wPMLG. Linear_Ref и Reference следует применять для корректировки масштабов химического сдвига. Поскольку косвенное измерение представляет собой химический сдвиг SQ, можно применить такое же масштабирование. На рис. 3 показан результирующий 2D-спектр и использованный список процессов.

Рис.3 1H SQ/1H SQ корреляционный спектр L-тирозина.

3 рис.
¹H кв/¹Корреляционный спектр H SQ для L-тирозина. HCl при 12 кГц при 14.1 Тл (слева). Развязка wPMLG применяется как к t₁ и т₂ Габаритные размеры. Время смешивания не используется (время смешивания = 0). Список процессов в основном такой же, как и в обычном 2D, но функции Linear_Ref и Reference должны применяться к обоим измерениям (справа). Приращение косвенного измерения устанавливается равным четырехкратному времени цикла wPMLG путем установки Lg_loop = 4 t₁ очки были набраны по 6 банок за каждую. Общее время измерения составило 128 х 6 х 2 х 1.5 с (задержка повторения) = 39 мин.

На рис. 3 не появляются корреляционные пики из-за отсутствия времени перемешивания. Однако даже очень короткое время смешивания (50 мкс) приводит к перекрестным пикам между соседними ¹Hs (рис. 4а). Интенсивности кросс-пиков быстро растут с увеличением времени перемешивания. (рис. 4b и c). Анализ нароста обеспечивает полуколичественную информацию о расстоянии между ¹Хс.

Рис.4 1H SQ/1H SQ корреляционный спектр L-тирозина.

4 рис.
¹H кв/¹Корреляционный спектр H SQ L-тирозина·HCl при 12 кГц при 14.1 Тл при времени перемешивания 50 мкс (а), 0.1 мс (б) и 0.2 мс (в). Сбой, отмеченный звездочкой, является артефактом, появляющимся в центре непрямого измерения. Приращение косвенного измерения устанавливается равным четырехкратному времени цикла wPMLG путем установки Lg_loop = 4 t₁ очки набирались по 2 баночки за каждую. Общее время измерения составило 128 х 2 х 2 х 1.5 с (задержка повторения) = 13 минут для каждого.

¹Н ДК/ ¹Корреляции H SQ

Близость между ¹Hs можно контролировать с помощью ¹Н ДК/¹Также корреляционная спектроскопия H SQ (рис. 5). в отличие ¹H кв/¹Корреляция H SQ, ¹Н ДК/¹Корреляция H SQ дает очень локальную близость ниже < 4A и полезна для исследования структуры атомного разрешения. В этих экспериментах первая когерентность DQ создается блоком возбуждения DQ. Когерентность DQ развивается в течение t₁ период облучения wPMLG. Затем она преобразуется в продольную намагниченность блоком реконверсии DQ. Z-фильтр shoft может быть вставлен перед окончательным 90-градусным импульсом считывания. Наконец, когерентность SQ наблюдается при развязке wPMLG. Близкое сходство с ¹H кв/₁Последовательность H SQ может быть найдена. Фактически последовательность DQ/SQ можно описать, заменив первый и второй 90-градусные импульсы в SQ/SQ на блоки возбуждения и реконверсии DQ соответственно. Основное отличие заключается в механизме создания ¹H-¹Н-корреляция. В то время как эксперименты SQ/SQ используют ¹H-¹H спиновая диффузия во время смешивания, две спиновые когерентности DQ, которые создаются блоком возбуждения DQ, сообщают о близости двух спинов в экспериментах DQ / SQ. Дипольное усечение во время пересоединения DQ препятствует созданию когерентности DQ между удаленными спинами. Таким образом, только короткие (обычно < 4 A) ¹H наблюдается близость. Все корреляции, появляющиеся в спектрах DQ/SQ, происходят из-за двух спиновых связностей в 4 A. Некоррелированные пики не появляются. Это упрощает спектральную интерпретацию. Схематический 2D-спектр DQ/SQ показан на рис. 5. Два пика появляются при ω_A и ω_B в измерении SQ. Корреляция между одинаковым спином между A и A появляется при ω_A +ω_A = 2ω_A в косвенном измерении, таким образом, (DQ, SQ) = (2ω_A , ω_A ). По этой причине диагональная линия построена с наклоном 2, проходящим при (0, 0) ppm. Лишенная корреляции при (DQ, SQ) = (2ω_A , ω_A ) показывает, что B не имеет подобного вращения на близком расстоянии. Корреляция между A и B появляется при (DQ, SQ) = (ω_A + ω_B, ω_A ) И (ω_A + ω_B, ω_B ) на равном расстоянии от диагональной линии.

5 рис.
Последовательность импульсов (слева) и схематическое изображение ¹Н ДК/¹Спектр корреляции H SQ (справа). Все пики, появляющиеся в спектрах, являются коррелированными пиками.

¹Н ДК/ ¹Корреляции H SQ: экспериментальная установка

Один и тот же блок wPMLG с вращением по оси Z применяется в течение обоих t₁ и т₂ периоды. Хотя любой ¹Схема пересоединения H DQ, в принципе, может использоваться для периодов возбуждения и реконверсии, мы рекомендуем POST-C7 из-за устойчивости к экспериментальным несовершенствам и ее гамма-кодируемой природы [5,6]. Поскольку для POST-C7 требуется мощность радиочастотного поля, в семь раз превышающая скорость MAS, максимальная скорость MAS часто ограничивается ¹Возможности зонда в высокочастотном поле. Например, датчик, который может принимать 100 кГц ¹H-облучение соответствует POST-C7 при частоте MAS 100/7 = 14.3 кГц. Таким образом, необходимо тщательно выбирать скорость MAS, чтобы можно было применить POST-C7. POST-C7 имеет только один параметр для оптимизации, т.е. напряженность радиочастотного поля. Экспериментальную оптимизацию можно выполнить, сравнивая одномерные спектры при t₁ = 0 при различной напряженности радиочастотного поля (obs_amp_c7). (Рис. 6) Поскольку POST-C7 довольно устойчив к изменению напряженности радиочастотного поля, нет необходимости в тонкой ступенчатой настройке. Обычно мы меняемся каждые 5 кГц или около того. Эффективность фильтрации DQ по сравнению с обычным 1D wPMLG обычно составляет 5-20% для твердых частиц. Следует отметить, что пики в непрямой размерности DQ появляются не в центре, а в положении вращающейся боковой полосы из-за механизма повторной связи DQ. [7] POST-C7 пересоединяет m = 1 членов в гамма-кодированном виде, таким образом, пик появляется в позициях +1 SSB, или, другими словами, все пики смещаются со скоростью MAS в сторону высоких частот (рис. 7). . Таким образом, положение пика можно легко скорректировать, просто сдвинув положение пика в соответствии со скоростью MAS. В случае POST-C7 можно использовать любую скорость MAS, если датчик принимает силу радиочастотного поля. Положение пика в непрямом измерении можно предсказать, включая сдвиг частоты +MAS. Однако это немного сложно. Таким образом, мы рекомендуем использовать максимально широкий спектральный диапазон с LG_LOOP = 1, если позволяет время. Вместо этого можно повторить быстрые 2D-эксперименты, изменяя LG_LOOP так, чтобы все пики соответствовали непрямому спектральному диапазону. Во время этой оптимизации можно использовать z-фильтр, поскольку z-фильтр не изменяет спектральный диапазон в косвенном измерении. Это позволяет выполнять 4-ступенчатое фазовое циклирование, сокращая время эксперимента.
[Последовательности повторного связывания DQ без кодирования гамма-излучения создают дополнительные трудности, поскольку косвенная ширина спектра должна быть такой же, как скорость MAS, как обсуждается ниже. По этой причине мы рекомендуем гамма-кодированную последовательность. Негамма-кодированные последовательности дают пики в +/-1 или 2 положениях SSB, что дает дополнительные расщепления. Чтобы избежать расщепления, ширина спектра непрямого измерения должна быть синхронизирована с частотой MAS. Когда ширина спектра такая же, как скорость MAS, все пики DQ складываются обратно в центральную полосу. Этот подход часто используется при быстрых МАС, избегая сложных смещений пиков. Однако это также создает дополнительную проблему ограниченной ширины спектра, особенно при умеренной скорости MAS. Например, ширина спектра 12 кГц соответствует 20 ppm при 14.1 Тл, что недостаточно для охвата всего диапазона ¹Спектры H DQ.]

6 рис.
DQ отфильтровано ¹H-спектры L-тирозина.HCl при 12 кГц и 14.1 Тл, наблюдаемые при различной напряженности радиочастотного поля для POST-C7. Спектры наблюдались с использованием последовательности на рис. 5 с t₁ = 0. В то время как номинальная напряженность радиочастотного поля для POST-C7 в семь раз превышает скорость MAS, максимальная эффективность DQ может проявляться при немного другой напряженности радиочастотного поля.

Рис.7. Проекция на размерность DQ корреляционных спектров DQ/SQ L-тирозина.

7 рис.
Проекция на измерение DQ корреляционных спектров DQ/SQ L-тирозина·HCl при частоте MAS 12 кГц и 14.1 Тл. POST-C7 используется для возбуждения/восстановления когерентности DQ. Пики DQ появляются не в центре, а в позициях +1 SSB.

Z-фильтр можно использовать для подавления поперечной намагниченности, делая общее количество шагов равным 4 сканированиям. Однако рекомендуется использовать нулевой z-фильтр, чтобы избежать спиновой диффузии во время z-фильтра. В этом случае нам нужно 12-ступенчатое фазовое циклирование для выбора когерентности. Рис. 8 демонстрирует эффект спиновой диффузии при z-фильтрации. При отсутствии z-фильтрации регулярно ¹Н ДК/¹Появляются паттерны H SQ (рис. 8а). Однако вставка z-фильтра 1 мс приводит к множеству дополнительных пиков, которые исходят от спиновой диффузии (рис. 8b). Как видно из рис. 4, доли миллисекунды достаточно, чтобы вызвать ¹H-¹Смешивание спинов H при умеренной скорости MAS, ухудшающее¹Н ДК/¹Спектры H SQ. Мы рекомендуем не использовать z-фильтрацию, чтобы избежать этой сложности.
Необходимо соблюдать осторожность во время приобретения. Поскольку во время возбуждения радиочастотное поле почти непрерывно прикладывается, t₁, реконверсия и t₂ период, общая продолжительность должна быть меньше 50 мс, чтобы избежать отказа зонда. Будьте осторожны с x_acq_time и y_acq_time.

Рис.8 Корреляционные спектры 1H DQ/1H SQ L-тирозина

8 рис.
¹Н ДК/¹Корреляционные спектры H SQ L-тирозина.HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл без (а) и с (б, 1 мс) z-фильтрации. Межъядерные связи показаны красной линией на (а). Обратите внимание, что ¹Задания H являются предварительными.

¹Н ДК/ ¹Корреляции H SQ: обработка данных (рис. 9)

Прямое измерение такое же, как 1D wPMLG. Linear_Ref и Reference следует применять для корректировки масштабов химического сдвига. В непрямом измерении положение первого пика должно быть смещено со скоростью MAS, поскольку пики появляются при +1 SSB (не в центре). Это можно сделать с помощью функции Reference. Затем применяется Linier_Ref для изменения масштаба химического сдвига. Обратите внимание, что центр спектра больше не находится на уровне 50[%], так как мы применили ссылку на первом шаге. Чтобы скорректировать этот фактор, Center должен быть установлен на x_offset * 2, который автоматически преобразуется в числовое значение в зависимости от используемых экспериментальных условий. Поскольку положение пика удваивается в измерении DQ, параметр, используемый в последующем справочном материале, должен быть удвоен по сравнению с измерением SQ. Наконец, диагональная линия проводится с наклоном 2.

Рис.9 Список процессов, использованных при обработке корреляционных спектров 1H DQ/1H SQ L-тирозина.HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл.

9 рис.
Список процессов, используемых при обработке ¹Н ДК/¹Корреляционные спектры H SQ L-тирозина. HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл.

2D ¹Полученный таким образом спектр H DQ/SQ показан на рис. 8(a). При внимательном рассмотрении спектра (рис. 10) можно получить подробные сведения о межъядерной связи. H7 и H11, которые перекрываются в 1D измерении, наблюдаются отдельно. Такое же улучшение разрешения можно найти и в H8 и 13. Как показано здесь, корреляционные спектры DQ/SQ иногда улучшают разрешение за счет добавления измерения DQ.

Рис.10 Расширение корреляционных спектров 1H DQ/1H SQ L-тирозина.

10 рис.
Расширение ¹Н ДК/¹Корреляционные спектры H SQ L-тирозина. HCl при 12 кГц MAS при 14.1 Тл. Весь спектр показан на рис. 8 (а). Обратите внимание, что ¹Задания H являются предварительными. Приращение косвенного измерения устанавливается равным времени цикла wPMLG, если Lg_loop = 1 t.₁ очки набирались по 12 банок на каждую. Общее время измерения составило 512 х 12 х 2 х 1.5 с (задержка повторения) = 5.2 часа.

Ссылки:

[1] С.П. Браун, Прог. Нукл. Магн. Резон. Спектроск. 50 (2007) 199-251.
[2] E. Salager, RS Stein, CJ Pickard, B. Elena, L. Emsley, Phys. хим. хим. физ. 11 (2009) 2610-2621.
[3] Ж.-Н. Дюмез, М.С. Батлер, Э. Салагер, Б. Елена-Херрманн, Л. Эмсли, Phys. хим. хим. физ. 12 (2010) 9172-9175.
[4] NT Duong, S. Raran-Kurussi, Y. Nishiyama, V. Agarwal, J. Magn. Резон. 317 (2020) 106777.
[5] H. Hohwy, HJ Jakobsen, M. Eden, MH Levitt, NC Nielsen, J. Chem. физ. 108 (1998) 2686-2694.
[6] С.П. Браун, А. Лесаж. Б. Елена, Л. Эмсли, Дж. Ам. хим. соц. 126 (2004) 13230-13231.
[7] Х. Гин, Дж. Дж. Титман, Дж. Готвальд, Х. В. Списс, Дж. Магн. Резон. А 114 (1995) 264-267.