Techniky přenosu polarizace cross -polarizace a spinová difuse

Transkript

1 (3) jiri brus Techniky přenosu polarizace cross -polarizace a spinová difuse laboratory frame, spin rotating frame laboratory frame, spin Ω H B H ω, ω, ω 0, B H ω 0, Ω C B C ω B 0,, 0 ω B, B C B B,, Zvýšení citlivosti NMR experimentu Problém relaxace ) Absorpce rf záření není doprovázena spontánní emisí. ) Disipace je vynucena fluktuacemi lokálních magnetických polí. 3) Vniřní molekulární pohyb je u krystalických systémů velmi omezený. 4) Relaxační časy izotopicky řídkých jader v řádech minut a hodin. Problém malé polarizovatelnosti nucleus natural abundance max. enhancement factor C. % 4 5 N 0.37 % % 5 3 P 00 %.5 ADEQUATE H: d d4 d4 d4 d4 d4 d4 d d C: d3 d3 d0 d d G z:

2 Historie Hahnovi experimenty (950-96) FD Cross polarization 39 K: 35 Cl: Erwin. L. Hahn *9 pin echo ( ω ω 0) K B K ClB Cl 80 ±y t t Hahn, E. L., pin echoes, Phys. Rev., 80, (950). Hahn, E. L., Free nuclear induction, Physics Today, Nov. (953), pp Hartmann.R., Hahn E.L. Nuclear Double Resonance in Rotating Frame, Phys. Rev. (96); 8: 04. Křížová-polarizace 97 Zvýšení citlivosti NMR experimentu Pines A., Gibby M.G., Waugh J.. Proton-Enhanced Nuclear nduction pectroscopy. A Method for High Resolution NMR of Dilute pins in olids, J. Chem. Phys. (97); 56: 776. Alex Pines *945 ( ω ω ) Zvýšení citlivosti až 000-krát 0 H B H CB C ) Polarizace izotopicky hojných jader. ) nížení spinové teploty jader v rotující soustavě souřadné. 3) Ustavení kontaktu mezi a spinlock a HH kontakt. 4) Detekce magnetizace při současném dekaplinku. Adamantan

3 Křížová-polarizace 976 Zvýšení citlivosti NMR experimentu chaefer J., tejskal E..J. C NMR of Polymers pinning at Magic Angle, J. Am. Chem. oc. (976); 98: 03. J. chaefer Zvýšení citlivosti až 000-krát ) Polarizace izotopicky hojných jader. ) nížení spinové teploty jader v rotující soustavě souřadné. 3) Ustavení kontaktu mezi a spinlock a HH kontakt. 4) Detekce magnetizace při současném dekaplinku. Dipolární kontakt a přenos polarizace Dipolární kontakt Tepelný kontakt H: z C: z Magnetizace proudí z vysoce polarizovaných systémů do systémů málo polarizovaných Teplo teče z horkého objektu do objektu s nízkou teplotou

4 Přenos polarizace v homonukleárním systému H Flip-flop přechody Heteronukleární -/ systém -/ θ 500 MHz / ω >> ω 5 MHz / H r, Homonukleární systém -/ -/ Hˆ µ h ( 3cos θ )( 3ˆ ˆ ˆ ) 0 ˆ D 3 z z 4π r, ω ω / / flip-flop -/ -/ / + + / Hˆ D ( + + ) ˆ ˆ x x y y z z + + i ; x y i x y + + ( 3cos θ ) ( ˆ ˆ ( + ) µ 0 h 3 z z 4π r, H- H pinová výměna (difuse) Výběr a přenos magnetizace 0 ms 50 ms 00 ms NH 3 + CH Glycin Rychlost spinové výměny: M ( r, t) D M ( r, t) + D M ( r, t) + D M ( r, t) t x x y y z z Velikost domény dispergované složky A : B / ε s d A Dtm f π 00 ms ppm tanovení spin-difusního koeficientu z pološířky: π ln ν D r rig / D [ ] / mob r α ν / 6 mob + mob D T D T 0. 6

5 Přenos polarizace v heteronukleárním systému laboratory frame, spin rotating frame laboratory frame, spin Ω H B H ω 0, 500 MHz ω, ω, 5 MHz ω 0, B H ω B 0,, 0 ω B, Ω C B C B B,, B C Přenos polarizace - experimentální uspořádání Ω H B H H z z B H C Ω C B C ω B r 0 B C z flip-flop -/ -/ + + / / B B,, Polarizace izotopicky hojných jader. nížení spinové teploty jader v rotující soustavě souřadné. Ustavení kontaktu mezi a spin-lock a HH kontakt. Detekce magnetizace při současném dekaplinku.

6 Cross polarizace zesílení signálů Porovnání a P/MA NMR experimentu 4 min Elastin, N56, čas 0 min ppm P hod mvastatin, N64, čas 3 min ppm Polyethylen, N8, čas 5 min ppm Dynamika cross -polarizace Výstavba NMR signálu C /MA NMR Glycin, C a Ca signály Kombinovaná výstavbová křivka uhlíkové magnetizace Pokles protonové magnetizace - T r 90 H: Výstavba cross-polarizace - T C: Typické hodnoty 00 ms až 0 ms Delší doba vyžaduje snížení výkonů obou rf polí - pozor na poškození sondy

7 Dynamika cross -polarizace Výstavba NMR signálu Vhodné okolnosti pro provedení experimentu: T r >> T Nevhodné okolnosti pro provedení experimentu: T r << T H: C: C: Kontaktní doba - praktické aspekty C /MA NMR Krátká kontaktní doba T (~500 µs): detekce především jednotek s přímo vázanými protony, (-CH 3, -CH -, >CH-) Dlouhá kontaktní doba T (> - ms): kvartérní uhlíky (>C<, -C-, substituované aromáty,...) Dlouhá kontaktní doba T (> - ms): systémy s vysokou vnitřní pohyblivostí krátké T r : systémy s paramagnetickými příměsmi, vysoká pohyblivost Dynamika cross -polarizace C /MA NMR C /MA NMR Dlouhá kontaktní doba ms ppm ppm Krátká kontaktní doba 0, ms C MA NMR H N CH CH CH CH NH CH 3 CH 3 n ppm ppm

8 Dynamika a selektivní experimenty C /MA NMR Decoupling (TPPM) Amorfní + Krystalická fáze C C5 C C3 C4 C MA NMR t Jednopulsní experiment s krátkou opakovací prodlevou pouze amorfní složky Amorfní fáze ac gc5 ac5 Krystalická fáze gc gc gc3c4 ac3c ac4 C /MA NMR T filtr ppm 90 ±y -x C: t Decoupling (TPPM) t experiment s T filtrem pouze krystalické složky Praktické aspekty: optimalizace C: Citlivý k nastavení HH podmínky Citlivý na MA - C-CH -NH 3 + B B,, P3,5 ms P3 4,6 ms P5 ms 800 Hz PL 5,5 db PL 4 db PL 0,7 db Dn 35 Hz Dn 53 Hz C a : Citlivý k nastavení dipolárního dekaplinku ppm

9 Praktické aspekty: optimalizace Glycin- C α Glycin- C a.u B B,, a.u Do frekvence rotace cca. 5-7 khz sec Výkon B pole Široké a ploché maximum HH podmínky sec Výkon B pole a.u sec Výkon B pole B B ± nω,, Pro MA frekvence rotace větší jak 8 khz Rotační maxima!!! r a.u sec Výkon B pole Praktické aspekty: optimalizace HH//MA NMR khz RAMP//MA NMR khz pl in db

10 Křížová-polarizace 97 Alex Pines *945 ouhrn Nízká citlivost ss-nmr experimentů e ac x la re Hartman-Hahnova podmínka 90 ±y 39K: 35Cl: ( ω ω 0) H BH C BC Dipolární kontakt a flip-flop přechody Dynamika olid-state NMR and. při vysokých frekvencích MA a B0 polích ptimalizace experimentů a.u y Gl 90 ±y sec ppm P -C P M RA