Введение

Спектроскопия твердого состояния ЯМР (ssNMR) – это метод характеристики структуры на атомном уровне в твердых материалах, таких как порошки, монокристаллы и аморфные образцы и ткани, с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В ЯМР твердого состояния проявляется анизотропная составляющая многих спиновых взаимодействий, в отличие от ЯМР в растворе, где быстрое вращение усредняет многие из этих взаимодействий. В результате спектры ЯМР твердого состояния характеризуются большей шириной линий, чем спектры ЯМР в растворе, что позволяет получать количественную информацию о молекулярной структуре, конформации и динамике материала. ЯМР твердого состояния часто комбинируют с магическим вращением угла для устранения анизотропных взаимодействий и повышения разрешения, а также чувствительности метода.

Ядерные спиновые взаимодействия

Резонансная частота ядерного спина зависит от напряженности магнитного поля в ядре, которая может быть изменена изотропными (например, химическим сдвигом, изотропным J-расщеплением) и анизотропными взаимодействиями (например, анизотропией химического сдвига, диполярными взаимодействиями). В классическом эксперименте ЯМР в жидком состоянии молекулярное вращение, обусловленное броуновским движением, усредняет анизотропные взаимодействия до нуля, и поэтому они не проявляются в спектре ЯМР. Однако в средах с отсутствием или низкой подвижностью (например, кристаллические порошки, стекла, крупные мембранные везикулы, молекулярные агрегаты) анизотропные локальные поля или взаимодействия оказывают существенное влияние на поведение ядерных спинов, что приводит к уширению линий спектра ЯМР.

Химическая экранизация

Химическая экранизация является локальным свойством каждого ядра в молекуле или соединении и пропорциональна приложенному внешнему магнитному полю. Внешнее магнитное поле индуцирует токи электронов в молекулярных орбиталях. Эти индуцированные токи создают локальные магнитные поля, которые приводят к характерным изменениям частоты резонанса. Эти изменения можно предсказать на основе молекулярной структуры, используя эмпирические правила или квантово-химические расчеты. В общем случае, химическая экранизация является анизотропной из-за анизотропного распределения молекулярных орбиталей вокруг ядер. При достаточно быстром вращении под магическим углом или под действием молекулярного вращения в растворе при ЯМР, анизотропная зависимость химической экранизации усредняется по времени до нуля, оставляя только изотропный химический сдвиг.

Четверополярное взаимодействие

Ядра с квантовым числом спина >1/2 имеют не сферическое распределение заряда и связанный с ним тензор электрического квадрупольного момента. Ядерный электрический квадрупольный момент взаимодействует с окружающими градиентами электрического поля. Ядерное квадрупольное взаимодействие является одним из самых сильных взаимодействий в ЯМР-спектроскопии, часто сопоставимым по величине с зеемановским взаимодействием. Когда ядерное квадрупольное взаимодействие существенно по сравнению с зеемановским взаимодействием, для корректного описания ЯМР-спектра необходимы поправки высшего порядка. В таких случаях поправка первого порядка к частоте ЯМР-перехода приводит к сильному анизотропному уширению линии спектра. Однако симметричные переходы между и уровнями не подвержены влиянию вклада частоты первого порядка. Вклад частоты второго порядка зависит от полинома Лежандра P4, имеющего нули при 30,6° и 70,1°. Эти анизотропные уширения можно устранить с помощью DOR (двойного угла поворота), при котором вращение происходит одновременно под двумя углами, или DAS (двойного угла спина), при котором быстро переключаются между двумя углами. Оба метода были разработаны в конце 1980-х годов и требуют специализированного оборудования (зондов). Многоквантовое магическое вращение уголков (MQMAS) ЯМР было разработано в 1995 году и стало стандартным методом получения высокоразрешающих твердотельных ЯМР-спектров квадрупольных ядер. Аналогичным методом MQMAS является ЯМР со спиновым вращением с магическим углом для спутниковых переходов (STMAS), разработанный в 2000 году.

J-соединение

J-сцепление, или косвенное ядерное спин-спиновое взаимодействие (иногда также называемое "скалярным" сцеплением, хотя J является тензорной величиной), описывает взаимодействие ядерных спинов посредством химических связей. J-сцепления не всегда удается различить в твердых телах из-за обычно большой ширины линий, наблюдаемой в спектрах ЯМР твердых тел.

Другие взаимодействия

Парамагнитные вещества испытывают сдвиг Найта.

Порошковый рисунок

В порошкообразных образцах возникает порошковый спектр, поскольку кристаллиты ориентированы случайным образом относительно магнитного поля, что обеспечивает наличие всех молекулярных ориентаций. При наличии взаимодействия анизотропии химического сдвига, каждая ориентация относительно магнитного поля соответствует различной резонансной частоте. Если присутствует достаточное количество кристаллитов, все различные вклады непрерывно перекрываются, формируя гладкий спектр. Аппроксимация порошкового спектра в статическом эксперименте по твердотельной ЯМР дает информацию о тензоре экранирования, который часто описывается изотропным химическим сдвигом, параметром анизотропии химического сдвига и параметром асимметрии.

Магический угол вращения

Магическое вращение угла (MAS) — это метод, обычно используемый в ЯМР твёрдых тел для получения более узких и интенсивных ЯМР-линий. Это достигается вращением образца под магическим углом θm (приблизительно 54,74°, где 1 = cos²θm = 1/3) относительно направления магнитного поля, что позволяет, по крайней мере частично, подавить анизотропные ядерные взаимодействия, такие как дипольное, анизотропия химического сдвига и квадрупольное взаимодействие. Для полного усреднения этих взаимодействий образец необходимо вращать с частотой, как минимум превышающей величину наибольшей анизотропии. Вращение порошкообразного образца с частотой, меньшей наибольшей составляющей анизотропии химического сдвига, приводит к неполному усреднению взаимодействия и появлению набора вращающихся боковых полос в дополнение к изотропной линии, центрированной на изотропном химическом сдвиге. Вращающиеся боковые полосы — это узкие линии, отделённые от изотропной частоты кратным значению частоты вращения. Хотя вращающиеся боковые полосы могут использоваться для измерения анизотропных взаимодействий, они часто нежелательны и устраняются либо ускорением вращения образца, либо синхронной записью точек данных с периодом ротора.

Отсоединение

Спиновые взаимодействия могут быть удалены (декуплены), чтобы повысить разрешение спектров ЯМР во время детектирования или увеличить время жизни ядерной намагниченности. Гетеронуклеарное декупление достигается радиочастотным облучением на частоте ядра, которое необходимо декуплировать, чаще всего 1H. Облучение может быть непрерывным (непрерывное волновое декупление) или серией импульсов, расширяющих эффективность и полосу пропускания декупления (TPPM, SPINAL 64, SWf TPPM).

Гомонуклеарное декупление достигается с помощью многоимпульсных последовательностей (WAHUHA, MREV 8, BR 24, BLEW 12, FSLG) или непрерывной волновой модуляции (DUMBO, eDUMBO). Дипольные взаимодействия также могут быть удалены с помощью вращения под магическим углом. Ультрабыстрое вращение под магическим углом (от 60 кГц до более 111 кГц) является эффективным способом усреднения всех дипольных взаимодействий, включая гомонуклеарные дипольные взаимодействия 1H–1H, что повышает разрешение спектров 1H и позволяет использовать импульсные последовательности, применяемые в ЯМР в растворе.

Ротационный эходвойной резонанс (REDOR)

Эксперимент ротационного эхо-двойного резонанса (REDOR) — это тип эксперимента восстановления гетероядерного дипольного взаимодействия, позволяющий восстановить гетероядерные дипольные связи, усредненные с помощью MAS. Восстановление таких дипольных связей приводит к уменьшению интенсивности сигнала ЯМР по сравнению с опорным спектром, полученным без дефазирующего импульса. REDOR может использоваться для измерения гетероядерных расстояний и является основой для ЯМР-кристаллографических исследований.

Ультрабыстрое МАС для 1H НМР

Сильные гомонуклеарные диполярные взаимодействия 1H-1H, связанные с уширенными спектральными линиями ЯМР и коротким временем поперечной релаксации T2, ранее ограничивали применение протонов в бимолекулярной ЯМР. Недавние достижения в области быстрого вращения (MAS) и снижение диполярных взаимодействий посредством дейтерирования сделали протонную твердотельную ЯМР (ssNMR) столь же универсальной, как и ЯМР в растворе. Это включает в себя спектральное разрешение в многомерных экспериментах, а также структурно значимые ограничения и параметры, важные для изучения динамики материалов. Сверхбыстрая ЯМР и соответствующее сужение спектральных линий позволяют использовать импульсные последовательности ЯМР для использования детектирования протонов с целью повышения чувствительности экспериментов по сравнению с прямым детектированием системы со спином 1/2 (X). Коэффициент усиления выражается следующим образом:

где – гиромагнитные отношения, – ширина спектральных линий ЯМР, а – добротность резонансов зонда.

Приложения

ЯМР-спектроскопия в твердом состоянии является эффективным аналитическим инструментом в биологической, органической и неорганической химии благодаря своей схожести со спектрами в растворе и возможности получения дополнительной информации об анизотропных взаимодействиях. Она используется для характеристики химического состава, надолекулярной структуры, локальных движений, кинетики и термодинамики, а также обладает уникальной способностью соотносить наблюдаемое поведение с конкретными участками в молекуле. Она также играет важную роль в химии поверхностей и межфазных явлений.

Белок и биоагрегаты

НМР твердого состояния используется для изучения нерастворимых белков и белков, крайне чувствительных к окружающей среде, таких как мембранные белки и амилоидные фибриллы. Последнее направление связано с заболеваниями, вызванными агрегацией белков, такими как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. НМР-спектроскопия в твердом состоянии дополняет НМР-спектроскопию в растворе и методы дифракции (например, рентгеновская кристаллография и электронная микроскопия). Несмотря на часто требуемое изотопное обогащение, НМР твердого состояния обладает преимуществом – минимальная подготовка образца, и его можно использовать не только с сухими или замороженными образцами, но и с полностью гидратированными образцами или нативными некорреллированными тканями. Определение структуры белков методом НМР твердого состояния традиционно основывается на вторичных химических сдвигах и пространственных контактах между ядрами.

Биоматериалы

НМР в твердом состоянии также успешно применяется для изучения биоматериалов, таких как кость, зубы, волосы, шелк, древесина, а также вирусы, растения, клетки, биопсийные образцы и даже живые животные.

Препараты и системы доставки лекарственных средств

Другие применения ssNMR находятся в области фармацевтических исследований. Прежде всего, он играет ключевую роль в характеристике полиморфов лекарственных средств и твердых дисперсий. Это полезно для минимизации рисков, связанных с изменениями твердой формы: определение твердой формы активного фармацевтического ингредиента имеет решающее значение для обеспечения контролируемой биодоступности и стабильности; изменения могут существенно повлиять на эффективность лекарств. Анализ взаимодействий на молекулярном уровне также способствует разработке составов аморфных твердых дисперсий, направленных на повышение растворимости. Кроме того, ssNMR помогает характеризовать пористые материалы, разработанные для систем доставки лекарств, тем самым позволяя ученым создавать носители и составы, повышающие эффективность лекарственных препаратов.

Материаловедение

НМР в твердом состоянии успешно применяется для изучения металлоорганических каркасов (МОК), аккумуляторов, поверхностей нанопористых материалов и полимеров.

Сохранение искусства

НМР также может применяться в консервации произведений искусства. Различные соли и содержание влаги могут быть определены с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса в твердой фазе. Однако, размеры образцов, отобранных от произведений искусства для анализа в этих крупных проводящих магнитах, обычно превышают допустимые значения. Односторонние методы НМР используют портативные магниты, которые прикладываются непосредственно к объекту исследования, исключая необходимость отбора проб.

НМР в твердом состоянии

Левитт, Малкольм Х., Динамика спина: основы ядерного магнитного резонанса, Уайли, Чичестер, Великобритания, 2001. (Основы ЯМР, включая твердые тела)
Дюер, Мелинда Дж., Введение в спектроскопию ЯМР в твердом состоянии, Блэквелл, Оксфорд, 2004. (Некоторые подробные примеры спектроскопии ЯМР в твердом состоянии)
Шмидт-Рор, К. и Списс, Х. В., Многомерная ЯМР в твердом состоянии и полимеры, Академическая пресса, Сан-Диего, 1994.