Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Динамикалық ядролық поляризация (ДНП) – электроннан ядроға спин поляризациясының ауысуы нәтижесінде туындайды, осы арқылы ядролық спиндер электрон спиндерінің бағытталғандығына сәйкес дәрежеде бағытталады. Белгілі бір магнит өрісі мен температурада электрон спиндерінің бағытталуы жылулық тепе-теңдікте Болцман таралымымен сипатталады. Сондай-ақ, электрон спинінің басқа да әдістері арқылы электрондар жоғары дәрежеде реттелуі мүмкін, мысалы: химиялық реакциялар (химиялық индукцияланған ДНП, CIDNP), оптикалық сорғылау және спин инъекциясы. ДНП гиперполяризацияның бірнеше техникаларының бірі болып саналады. ДНП қатты денедегі сәулеленудің салдарынан туындаған жұпсыз электрондарды пайдалану арқылы да шақырылуы мүмкін. Электрон спинінің поляризациясы жылулық тепе-теңдік мәнінен ауытқанда, электрондар мен ядролар арасында поляризацияның ауысуы электрон-ядролық қиылысқан релаксация немесе электрондар мен ядролар арасындағы спиндік күйлердің араласуы арқылы спонтанды түрде жүруі мүмкін. Мысалы, поляризацияның ауысуы гомолиздік химиялық реакциядан кейін спонтанды түрде болады. Екінші жағынан, электрон спині жүйесі жылулық тепе-теңдікте болғанда, поляризацияның ауысуы тиісті электронды парамагниттік резонанс (EPR) жиілігіне жақын жиілікте үздіксіз микротолқынды сәулелендіруді талап етеді. Атап айтқанда, микротолқынмен қоздырылатын ДНП процестерінің механизмдері Оверхаузер эффектісі (OE), қатты әсер (SE), қиылыс әсері (CE) және термиялық араласу (TM) болып жіктеледі. Алғашқы ДНП тәжірибелері 1950 жылдардың басында төмен магнит өрістерінде жүргізілді, бірақ соңғы уақытқа дейін бұл техника жоғары жиілікті, жоғары өрістік ЯМР спектроскопиясы үшін шектеулі қолданысқа ие болды, себебі тиісті жиілікте жұмыс істейтін микротолқындық (немесе терагерцтік) көздер жеткіліксіз болды. Бүгінде мұндай көздер «айналыс кілті» бойынша жұмыс істейтін құралдар ретінде қол жетімді, бұл ДНП-ні құнды және қажетті әдіс етеді, әсіресе жоғары ажыратымдылықтағы қатты күйдегі ЯМР спектроскопиясы арқылы құрылымды анықтау саласында.
Dynamic nuclear polarization (DNP) results from transferring spin polarization from electrons to nuclei, thereby aligning the nuclear spins to the extent that electron spins are aligned. Note that the alignment of electron spins at a given magnetic field and temperature is described by the Boltzmann distribution under the thermal equilibrium. It is also possible that those electrons are aligned to a higher degree of order by other preparations of electron spin order such as: chemical reactions (leading to chemical induced DNP, CIDNP), optical pumping and spin injection. DNP is considered one of several techniques for hyperpolarization. DNP can also be induced using unpaired electrons produced by radiation damage in solids. When electron spin polarization deviates from its thermal equilibrium value, polarization transfers between electrons and nuclei can occur spontaneously through electron nuclear cross relaxation or spin state mixing among electrons and nuclei. For example, the polarization transfer is spontaneous after a homolysis chemical reaction. On the other hand, when the electron spin system is in a thermal equilibrium, the polarization transfer requires continuous microwave irradiation at a frequency close to the corresponding electron paramagnetic resonance (EPR) frequency. In particular, mechanisms for the microwave driven DNP processes are categorized into the Overhauser effect (OE), the solid effect (SE), the cross effect (CE) and thermal mixing (TM). The first DNP experiments were performed in the early 1950s at low magnetic fields but until recently the technique was of limited applicability for high frequency, high field NMR spectroscopy, because of the lack of microwave (or terahertz) sources operating at the appropriate frequency. Today such sources are available as turn key instruments, making DNP a valuable and indispensable method especially in the field of structure determination by high resolution solid state NMR spectroscopy.
Статикалық үлгі алу жағдайы
Электрон ядросының екі спиндік жүйесінің қарапайым суретінде, қатты әсер электрон ядросының өзара ауысуы (нөлдік квант немесе қос квант деп аталады) микротолқын сәулеленуімен қозған кезде, релаксация болған жағдайда пайда болады. Мұндай ауысу әдетте нашар рұқсат етіледі, яғни жоғарыда аталған микротолқындық қоздырудың ауысу моменті электрон-ядролық өзара әрекеттесудің екінші реттік әсерінен туындайды, сондықтан маңызды болуы үшін күштірек микротолқын қуаты қажет, ал қарқындылығы сыртқы магнит өрісі B0 өскенде төмендейді. Нәтижесінде, барлық релаксация параметрлері тұрақты сақталғанда қатты әсерден DNP күшеюі B0−2 пропорциясында өседі. Бұл ауысу қозғаннан және релаксация әрекет еткеннен кейін магниттеу ядролық диполь желісі арқылы "көпшілік" ядроларға (ЯМР экспериментінде анықталатын ядролардың басым бөлігі) таралады. Бұл поляризациялау механизмі егер қоздырғыш микротолқын жиілігі ядролық Лармор жиілігімен электрон Лармор жиілігінен жоғары немесе төмен қарай ығысса, екі спиндік жүйеде оңтайлы болады. Жиілік ығысуының бағыты DNP күшеюінің таңбасына сәйкес келеді. Қатты әсер көп жағдайда болады, бірақ қатысқан жұптаспаған электрондардың ЭПР спектрінің ені сәйкес ядролардың ядролық Лармор жиілігінен кіші болса, оны байқау оңайырақ.
In a simple picture of an electron nucleus two spin system, the solid effect occurs when a transition involving an electron nucleus mutual flip (called zero quantum or double quantum) is excited by a microwave irradiation, in the presence of relaxation. This kind of transition is in general weakly allowed, meaning that the transition moment for the above microwave excitation results from a second order effect of the electron nuclear interactions and thus requires stronger microwave power to be significant, and its intensity is decreased by an increase of the external magnetic field B0. As a result, the DNP enhancement from the solid effect scales as B0−2 when all the relaxation parameters are kept constant. Once this transition is excited and the relaxation is acting, the magnetization is spread over the "bulk" nuclei (the major part of the detected nuclei in an NMR experiment) via the nuclear dipole network. This polarizing mechanism is optimal when the exciting microwave frequency shifts up or down by the nuclear Larmor frequency from the electron Larmor frequency in the discussed two spin system. The direction of frequency shifts corresponds to the sign of DNP enhancements. Solid effect exist in most cases but is more easily observed if the linewidth of the EPR spectrum of involved unpaired electrons is smaller than the nuclear Larmor frequency of the corresponding nuclei.
Сиқырлы бұрышпен айналатын қалта
Сиқырлы бұрышпен айналдыру ДНП (MAS DNP) жағдайында механизм өзгеше, бірақ оны түсіну үшін екі спиндік жүйені пайдалануға болады. Микротолқынды сәулелендіру қос кванттық немесе нөлдік кванттық өтуді қозғанда ядроның поляризациялану процесі жалғасады, бірақ сынама айналып тұрғандықтан, бұл шарт әрбір ротор айналымында қысқа ғана уақытқа орындалады (соның нәтижесінде ол мерзімді болады). Осы жағдайда ДНП процесі үзіліс-үзіліс болып өтеді, статикалық жағдайдағыдай үздіксіз емес.
In the case of magic angle spinning DNP (MAS DNP), the mechanism is different but to understand it, a two spins system can still be used. The polarization process of the nucleus still occurs when the microwave irradiation excites the double quantum or zero quantum transition, but due to the fact that the sample is spinning, this condition is only met for a short time at each rotor cycle (which makes it periodical). The DNP process in that case happens step by step and not continuously as in the static case.
Статикалық корпус
Крос эффектісі жоғары поляризацияның көзі ретінде екі жұпталмаған электронды қажет етеді. Ерекше жағдайларсыз, мұндай үш спиндік жүйе тек қатты әсер түріндегі поляризацияны ғана тудыра алады. Бірақ, әрбір электронның резонанстық жиілігі ядролық Лармор жиілігінен айырылғанда және екі электрон диполярлы байланыста болғанда, тағы бір механизм пайда болады: крос эффектісі. Осы жағдайда DNP процесі рұқсат етілген ауысудың сәулелену нәтижесі болып табылады (бір квант деп аталады), сондықтан микротолқынды сәулелендірудің күші қатты әсерге қарағанда кем қажет болады. Іс жүзінде, дұрыс EPR жиіліктерінің айырмасы g анизотропиясы бар парамагниттік түрлерді кездейсоқ бағыттау арқылы қамтамасыз етіледі. Екі электрон арасындағы "жиілік" айырмасы нысаналық ядроның Лармор жиілігіне тең болу керек болғандықтан, крос эффектісі тек біртекті емес кеңейтілген EPR сызығының ені ядролық Лармор жиілігінен артық болғанда ғана мүмкін болады. Сондықтан, бұл сызық ені сыртқы магнит өрісі B0-ге пропорционалды болғандықтан, жалпы DNP тиімділігі (немесе ядролық поляризацияның күшеюі) B0−1 ретінде масштабталады. Бұл демалыс уақыттары өзгермейтінше дұрыс болады. Әдетте, жоғары өріске өту ядролық демалыс уақыттарының ұзаруына алып келеді, бұл сызық енінің азаюын ішінара өтеуі мүмкін. Іс жүзінде, шыны тәрізді үлгіде Лармор жиілігімен бөлінген екі диполярлы байланысқан электронның болу ықтималдығы өте төмен. Дегенмен, бұл механизм соншалықты тиімді, оны тәжірибе жүзінде жеке немесе қатты әсермен бірге байқауға болады.
The cross effect requires two unpaired electrons as the source of high polarization. Without special condition, such a three spins system can only generate a solid effect type of polarization. However, when the resonance frequency of each electron is separated by the nuclear Larmor frequency, and when the two electrons are dipolar coupled, another mechanism occurs: the cross effect. In that case, the DNP process is the result of irradiation of an allowed transition (called single quantum) as a result the strength of microwave irradiation is less demanded than that in the solid effect. In practice, the correct EPR frequency separation is accomplished through random orientation of paramagnetic species with g anisotropy. Since the "frequency" distance between the two electrons should be equal to the Larmor frequency of the targeted nucleus, cross effect can only occur if the inhomogeneously broadened EPR lineshape has a linewidth broader than the nuclear Larmor frequency. Therefore, as this linewidth is proportional to external magnetic field B0, the overall DNP efficiency (or the enhancement of nuclear polarization) scales as B0−1. This remains true as long as the relaxation times remain constant. Usually going to higher field leads to longer nuclear relaxation times and this may partially compensate for the line broadening reduction. In practice, in a glassy sample, the probability of having two dipolarly coupled electrons separated by the Larmor frequency is very scarce. Nonetheless, this mechanism is so efficient that it can be experimentally observed alone or in addition to the solid effect.
Сиқырлы бұрышпен айналатын қалта
Статикалық жағдай сияқты, MAS DNP қиылысқан әсер механизмі уақытқа тәуелді энергия деңгейіне байланысты күрт өзгереді. Үш спинді қарапайым жүйе арқылы, статикалық және MAS жағдайларындағы қиылысқан әсер механизмінің әртүрлі екені көрсетілді. Крос эффект – бұл ЭПР бір кванттық ауысуы, электрондық диполярлық антиқиылысу және крос эффект дегенерациясы жағдайларын қамтитын өте жылдам көп қадамды процесс. Ең қарапайым жағдайда, MAS DNP механизмі бір кванттық ауысудан кейін крос эффект дегенерациясы жағдайының, немесе электрондық диполярлық антиқиылысудан кейін крос эффект дегенерациясы жағдайының комбинациясы арқылы түсіндірілуі мүмкін. Бұл өз кезегінде, статикалық магнит өрісіне байланысты CE тәуелділігін күрт өзгертеді, ол B0−1 сияқты масштабталмайды және қатты әсерге қарағанда әлдеқайда тиімді болады.
As in the static case, the MAS DNP mechanism of cross effect is deeply modified due to the time dependent energy level. By taking a simple three spin system, it has been demonstrated that the cross effect mechanism is different in the Static and MAS case. The cross effect is the result of very fast multi step process involving EPR single quantum transition, electron dipolar anti crossing and cross effect degeneracy conditions. In the most simple case the MAS DNP mechanism can be explained by the combination of a single quantum transition followed by the cross effect degeneracy condition, or by the electron dipolar anti crossing followed by the cross effect degeneracy condition. This in turn change dramatically the CE dependence over the static magnetic field which does not scale like B0−1 and makes it much more efficient than the solid effect.
DNP-NMR
ДНП-ны ЯМР сигналдарын күшейту үшін, сондай-ақ өзіндік кеңістіктік тәуелділікті енгізу үшін жүргізуге болады: магниттелу күшеюі сәулеленген электрондардың жанында болады және үлгінің ішінде таралады. Кеңістіктік таңдаулылықты магниттік резонанстық бейнелеу (МРТ) техникаларын қолдану арқылы алуға болады, осылайша үлгідегі орналасуына қарай ұқсас бөліктерден алынған сигналдарды бөлуге болады. ДНП ЯМР қауымдастығында зор қызығушылық тудырды, себебі ол қатты күйдегі ЯМР-де сезімталдықты арттыра алады. ДНП-де үлкен электрондық спин поляризациясы микротолқын көзі арқылы қызығушылық тудыратын ядролық спиндерге беріледі. Қатты денелер үшін екі негізгі ДНП тәсілі бар. Егер материалда бос электрондар болмаса, экзогенді ДНП қолданылады: материал белгілі бір радикалдан тұратын ерітіндімен сіңіріледі. Мүмкіндігі шектес жағдайда, эндогенді ДНП өтпелі металл иондарындағы (металл иондарының динамикалық ядролық поляризациясы, MIDNP) немесе өткізгіш электрондардағы электрондарды пайдалану арқылы жүргізіледі. Эксперименттер әдетте сиқырлы бұрышпен айналдырумен бірге төмен температурада жүргізілуі керек. ДНП көбінесе электрондық релаксацияны төмендету үшін төмен температураны қажет ететіндіктен, тек ex situ жағдайында ғана жүргізілгенін атап өту маңызды.
DNP can be performed to enhance the NMR signals but also to introduce an inherent spatial dependence: the magnetization enhancement takes place in the vicinity of the irradiated electrons and propagates throughout the sample. Spatial selectivity can finally be obtained using magnetic resonance imaging (MRI) techniques, so that signals from similar parts can be separated based on their location in the sample. DNP has triggered enthusiasm in the NMR community because it can enhance sensitivity in solid state NMR. In DNP, a large electronic spin polarization is transferred onto the nuclear spins of interest using a microwave source. There are two main DNP approaches for solids. If the material does not contain suitable unpaired electrons, exogenous DNP is applied: the material is impregnated by a solution containing a specific radical. When possible, endogenous DNP is performed using the electrons in transition metal ions (metal ion dynamic nuclear polarization, MIDNP) or conduction electrons. The experiments usually need to be performed at low temperatures with magic angle spinning. It is important to note that DNP was only performed ex situ as it usually requires low temperature to lower electronic relaxation.
Арнайы мәселелер
Динамикалық ядролық поляризация: Физика, химия, биология және медицинадағы жаңа эксперименталды және әдістемелік тәсілдер мен қолданбалар, Қолданбалы Магниттік Резонанс, 2008. 34(3–4)
Жоғары өрісті динамикалық ядролық поляризация – жаңа өркендеу, Физикалық химия және химиялық физика, 2010. 12(22)
Dynamic Nuclear Polarization: New Experimental and Methodology Approaches and Applications in Physics, Chemistry, Biology and Medicine, Appl. Magn. Reson., 2008. 34(3–4)
High field dynamic nuclear polarization – the renaissance, Phys. Chem. Chem. Phys., 2010. 12(22)