Zvýšení citlivosti NMR experimentu Problém relaxace 1) Absorpce rf záření není doprovázena spontánní emisí. 2) 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 max. enhancement abundance factor 13c 1.11 % 4 15N 0.37 % 10 sSi 4.70 % 5 31p 100% 2.5 ADEQUATE 'H: d1 j d41 d4 i 1 \:\ :\ \ p 1 i i- m i ■ íl 1 íl ^ n n n Historie - Hahnovi experimenty (1950-1962) L la Erwin. L. Hahn *1921 FID Spin echo Hahn, E. L., Spin echoes, Phys. Rev., 80, 580-594 (1950). Cross polarization 90\v CP +x (A = o)u-bls=0) Yk^xk — Ycßxci Křížová-polarizace - 1972 Zvýšení citlivosti NMR experimentu Pines A., Gibby M.G., Waugh J.S. Proton-Enhanced Nuclear Induction Spectroscopy. A Method for High Resolution NMR of Dilute Spins in Solids, J. Chem. Phys. (1972); 56: 1776. Zvýšení citlivosti až 1000-krát 1) Polarizace izotopicky hojných jader /. 2) Snížení spinové teploty jader / v rotující soustavě souřadné. 3) Ustavení kontaktu mezi / a S - spin-lock a HH kontakt. 4) Detekce magnetizace S při současném de kap li n ku /. V- {A = ú)u-ú)ls = 0) Adamantan Křížová-polarizace - 1976 Zvýšení citlivosti NMR experimentu SchaeferJ., Stejskal E.OJ. I3C NMR of Polymers Spinning at Magic Angle, J.Am. Chem. Soc. (1976); 98: 1031. Zvýšení citlivosti až 1000-krát 1) Polarizace izotopicky hojných jader /. 2) Snížení spinové teploty jader / v rotující soustavě souřadné. 3) Ustavení kontaktu mezi / a S - spin-lock a HH kontakt. 4) Detekce magnetizace S při současném dekaplinku /. ■K>gOOKK Jil __La. 1_ __xJl Dipolární kontakt a přenos polarizace Dipolární kontakt Tepelný kontakt Přenos polarizace v homonukleárním systému Flip-flop přechody m=%4-- (3 cos2 e - i\3ij2z -1,1, Heteronukleární /2 systém 0)I»OX; I 125 MHz Homonukleární systém flip-flop -1/2 /, /2 /, /2 -1/2 ľ =Ix + Uy;I~ =IX-Uy ~4xňJ^¥3 COsl 6 " *;> ^ "1/2 ^ + W) 1H-1H Spinová výměna (difuse) Výběr a přenos magnetizace 18 16 14 12 10 8 6 4 2 ppm i tml\lé12 Rychlost spinové výměny: dM(r,t)_ a r a Velikost domény dispergované složky A : d a =2—(-Dť A fBU m Stanovení spin-difusního koeficientu z pološířky: D = J-J—< "ř 12 V 2 ln 2 '•2}Av„2 Dlrt=l(rí)[arAvlíJ ^ =8.2 xlQ-6r2- + 0.007 Dmob ; 4.4xl0"57,2"1 +0.26 J Přenos polarizace v heteronukleárním systému Přenos polarizace - experimentální uspořádání rA,i = kAs Polarizace izotopicky hojných jader I. Snížení spinové teploty jader I v rotující soustavě souřadné. Ustavení kontaktu mezi I a S -spin-lock a HH kontakt. Detekce magnetizace S při současném dekaplinku I. Cross polarizace - zesílení signálů Porovnání CP a SP/MAS NMR experimentu Elastin, NS=256, čas 10 min JUlU ISO 1 O O SO ppr Simvastatin, NS=64, čas 3 min «4 1 SO 100 50 F>F>r Polyethylen, NS=128, čas 5 min 35 30 25 ppn Výstavba NMR signálu 13CCP/MAS NMR Glycin, CO a Ca signály I I I heleronuclear I I I decoupling J Kombinovaná výstavbová krivka uhlíkové magnetizace Pokles protonové magnetizace - T1r ili. Výstavba cross-polarizace - 7^s Typické hodnoty CP = 100 ms až 10 ms Delší doba CP vyžaduje snížení výkonů obou rf polí - pozor na poškození sondy Výstavba NMR signálu Vhodné okolnosti pro provedení CP experimentu: Tu>> T,s Nevhodné okolnosti pro provedení CP experimentu: Tu« T,s Kontaktní doba - praktické aspekty 13C CP/MAS NMR Krátka kontaktní doba T,s (-500 \ls): detekce především jednotek s přímo vázanými protony, (-CH3, -CH2-, >CH-) Dlouhá kontaktní doba T,s (>1 - 2 ms): kvartérní uhlíky (>C<, -COO-, substituované aromáty, ...) Dlouhá kontaktní doba T,s (>1 - 2 ms): systémy s vysokou vnitřní pohyblivostí krátké T1r : systémy s paramagnetickými příměsmi, vysoká pohyblivost Dynamika „cross"-polarizace "C CP/MAS NMR Dlouhá kontaktní doba - 2 ms juJIIl 80 160 140 120 100 80 60 40 ppm Krátká kontaktní doba - 0,1 ms U_ 160 140 120 100 80 60 40 ppm "C CP/MAS NMR 180 160 140 120 100 80 60 40 A "C MAS NMR -CH—CH;—ho-CH^-CH- 180 160 140 120 100 80 60 40 ppm Dynamika CP a selektivní experimenty 13C CP/MAS NMR Amorfní Krystalická fáze Amorfní faze Krystalická fáze 3C CP/AAAS NMR Decoupling (TPPM) K Jednopulsní experiment s krátkou opakovači prodlevou - pouze amorfní složky Decoupling (TPPM) EH CP experiment s T1 filtrem - pouze krystalické složky 1 Praktické aspekty: optimalizace CP 13C=0: •Citlivý k nastavení HH podmínky •Citlivý na AAAS OOC-CH2-NH3H rA,i = 7sBi* P3 = 2,5 ms P31 =4,6ms P15 = 2 ms 02 = 1800 Hz PL1 = 5,5 dB PL2 = 14 dB PL12 = 10,7 dB Dn = 35 Hz Dn = 53 Hz •Citlivý k nastavení dipolárního dekaplinku 240 220 200 180 160 140 120 100 60 40 20 0 -20 ppm Praktické aspekty: optimalizace CP Glycin-"Ca Glycin-"CO 114+ !-H+ ++'+ 4++I ++++ H+4+ -H-+ ++ +1 -H-+ Výkon 61S pole 7A,i = rA,s Do frekvence rotace cca. 5-7 kHz Široké a ploché maximum HH podmínky Výkon 61S pole Výkon 61S pole rA1 = raBlfi±na)r Pro MAS frekvence rotace větší jak 8 kHz Rotační maxima!!! + + + 44 + V + 0.-H-+4 H-++ ++4 + Výkon 61S pole Praktické aspekty: optimalizace CP Křížová-polarizace - 1972 L .This Week's Citation Classic Alex Pines *1945 Carbon-13 NMR in So the chemical shift anisotropy of benzene, titer my application for graduate school vas rejected at Berkeley, I settled for 'u- .i„„ Houoioped the famous coherent As a small boy, I often wondered about rT%Z the chemical shift anisotropy of benzene. Jjttp*. After my application for graduate school ^J^it:^Z was rejected at Berkeley, I settled for the S"a~ Massachusetts Institute of Technology wSH* (MIT), Cambridge. _________;« *"*rb« ° a model sample to try the experiment, i Henry A. Resing (known affectionately as Mr. Adamantane because of his work on i plastic crystals) was visiting, and I asked him what would be a cheap compound ! with at least two inequtvalent carbon sites, solid at room temperature but with the molecules reorienting roughly isotropic-> ally, and with Ti and Ti p relaxation times of about one second. He suggested adamantane. Indeed, after we vaporized a number of samples in the probe with high radiofrequency power, the first successful ; experiments showed two resolved carbon-13 peaks with good signal/noise in solid adamantane. We subsequently obtained Souhrn Nízká citlivost ss-NMR experimentů Hartman-Hahnova podmínka Optimalizace CP experimentů CP pň vysokých frekvencích MAS a BO polích