基于固体核磁共振多次交叉极化的定量检测优化技术.pdf

Vol.40 No.2第40 卷第2 期2023年0 6 月Chinese J Magn Reson,2023,40(2):136-147波谱学杂志Chinese Journal of Magnetic ResonanceJun.2023doi:10.11938/cjmr20223039基于固体核磁共振多次交叉极化的定量检测优化技术董洪春1#，张志兰1#，王宁3，唐丹丹1，裘子慧1，舒婕1,2*1.苏州大学材料与化学化工学部，江苏苏州2 1512 3；2.苏州大学分析测试中心，江苏苏州2 1512 3；3.上海交通大学分析测试中心，上海2 0 0 2 40摘要：多次交叉极化（multiCP）是一种耗时短、可行性高的固体核磁共振定量方法，近年来受到了广泛的关注.通过研究发现，multiCP实验参数的设置依赖于样品及基团的属性对于样品属性差异较大的体系，其获取定量结果时的实验参数条件较苛刻针对这一问题，本文结合LGCP（L e e-G o l d b u r g c r o s s p o l a r i z a t i o n）技术，提出了一种multiCP的优化方案，命名为MLGCP-1.本文以L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-丙氨酸/L-缬氨酸的混合物作为模型样品，并通过与multiCP进行对比，探讨MLGCP-1方法定量分析的可行性与优势首先，通过对L-丙氨酸、L-缬氨酸样品基团比例的测量，发现MLGCP-1实现定量检测的参数一交叉极化接触时间（tp）范围较multiCP更宽，可由1.01.3ms增至0.8 2.0 ms.此外，通过对L-缬氨酸、L-丙氨酸/L-缬氨酸中特定基团间积分比值的分析发现，MLGCP-1与multiCP相似，同样受到13C-H交又弛豫时间（TcH）差异度的影响。即TcH差异度越大，可定量的tp参数范围越小但与multiCP相比，MLGCP-1对tp的宽容度更高。即对于相同的样品体系，MLGCP-1可定量的tp范围更宽总之，与multiCP相比，MLGCP-1可实现定量表征的实验参数范围更宽，更适用于表征属性差异较大的样品体系。关键词：固体核磁共振（SSNMR）；交叉极化；多次交叉极化；定量方法；氨基酸中图分类号：0 48 2.53The Improved Solid-state NMR Quantitative Method on the Bases ofMultiple-cross Polarization TechniqueDONG Hongchunl#,ZHANG Zhilanl*,WANG Ning,TANG Dandan,QIU Zihuil,SHU Jiel.2*1.College of Chemistry,Chemical Engineering and Materials Science,Soochow University,Suzhou 215123,China;2.Analysis and Testing CenterSoochow University,Suzhou 215123,China;3.Instrumental Analysis Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,ChinaAbstract:Recently,multiple-cross polarization(multiCP)has attracted much interest owing to its favorable performance asa solid-state nuclear magnetic resonance quantitative method.Relating investigations revealed that the setup of multiCPparameters relies on the properties of the samples.Diverse types of samples require different parameters.To improve thetolerance to sample properties,an improved method named MLGCP-1 was proposed in this work,which employed Lee-Goldburg cross polarization technique.L-alanine,L-valine and their mixtures were chosen as model samples to evaluate theperformance of MLGCP-1 method.multiCP experiments were also conducted for comparison.Based on the test of moleculargroup ratio,it was revealed that the range of contact time tp of MLGCP-1 was larger than that of multiCP,which improvedfrom 1.01.3 ms to 0.82.0 ms.Moreover,according to the study of L-valine and mixtures,it was revealed that the range oftp was influenced by the difference of cross relaxation time TcH.Large Tch difference limited tp range for quantification.Thismanner was in accordance with multiCP.However,the tp range of MLGCP-1 was markedly enlarged in comparison withmultiCP,presenting higher tolerance to the sample properties.Keywords:solid-state nuclear magnetic resonance(SSNMR),cross polarization,multiCP,quantitative method,amino acid收稿日期：2 0 2 2-11-2 4；在线发表日期：2 0 2 3-0 3-14基金项目：国家自然科学基金资助项目(2 16 7 3148)；2 0 2 1年度江苏省大型科学仪器开放共享自主研究课题(TC2021A027).通信作者(Corresponding author):*Tel:0512-65883270,E-mail:#共同第一作者文献标识码：A第2 期引言固体核磁共振（solid-state nuclearmagneticresonance，SSNM R）技术不仅用于表征材料分子的结构和动态学行为，还可以实现多种定量信息的检测1,2 1传统SSNMR定量技术是直接激发高功率去耦（directpolarizationwithhighpowerdecoupling，D P）技术3 该方法实现定量的关键是D/5Ti（D 为弛豫等待时间，Ti为检测核的自旋晶格弛豫时间）.然而对于多数样品，尤其是具有刚性结构的样品，13C的T较长且自然丰度低定量检测时，DP实验耗时较长，往往需要花费十几个小时甚至数周的时间4 近年来，为了实现短时间内SSNMR的定量检测，科研工作者们先后提出了数种实验技术与方法5-15 在这些方法中，多次交叉极化（multiple-cross polarization，mu l t i CP）技术由于具有较高的普适性和可行性，受到了广泛的关注198 5年，Gerstein和Dybowskil16)在交叉极化（cross polarization，CP）技术的基础上，首次提出了多次交叉极化的概念.1990 年，Mehring课题组基于此技术提出了较DP方法耗时更短的SSNMR定量方法，该方法通过多次交又极化过程，使样品体系中各种不同基团待检测核的CP效率逐步提升并趋于相同，从而实现谱图中谱峰积分的定量17 ；2 0 14年，Schmidt-Rohr课题组将该方法命名为multiCP，系统地探讨了H射频场强度对定量结果的影响，并应用于土壤腐殖质的成分分析13；2 0 17 年，该课题组对multiCP技术进行了优化，通过使用18 0 补偿脉冲技术降低90 脉冲共振偏置和激发脉宽不准确所导致的信号损失此外，Hirschinger等18,19 基于-甲酸钙、二茂铁和丙氨酸的multiCP实验数据，并结合理论计算，讨论了魔角旋转速率对multiCP谱图信噪比和测量结果准确性的影响随着对multiCP方法的不断研究与推广，多个课题组相继使用该方法开展定量相关的表征与研究，从而获取多相高分子的结晶度2 0 、混合物的组分含量2 1,2 2 、分子基团的比例与结构2 3-2 5 等信息。目前，multiCP 技术在农业2 0,2 4、矿物2 3,2 5、环境2 等领域都表现出潜在的应用价值.实现multiCP准确定量的关键是如何依据样品的属性合理地设置实验参数.2 0 2 1年，本课题组以L-丙氨酸、L-缬氨酸和二者混合物为模型样品，深入探讨了multiCP实验的测量结果受样品属性的影响2 6 ，发现multiCP实验参数一交叉极化接触时间（tp）的设置依赖于样品及基团的13C-H交叉弛豫时间（TcH）对于TcH值相近的基团或体系，其获取定量结果时的实验参数设置相似.然而，对于TcH值差异较大的体系，其获取定量结果时的实验参数条件较苛刻。此外，当体系氢原子核在自旋锁定场下的自旋晶格弛豫时间（T号）较短时，同样会影响multiCP测试结果的准确性针对这一问题，本文结合LGCP（L e e-G o l d b u r g c r o s spolarization）同核去耦技术2 7.2 8 ，提出了一种multiCP的优化方案，命名为MLGCP-1以L-丙氨酸、L-缬氨酸和两者混合物为研究体系，对比探讨MLGCP-1和multiCP对体系属性和实验参数的宽容度，总结MLGCP-1作为定量方法的参数设置规律与优势。董洪春等：基于固体核磁共振多次交又极化的定量检测优化技术1371实实验部分1.1订试剂与样品制备L-丙氨酸和L-氨酸（A.R.级）粉末样品购于北京伊诺凯科技有限公司，均直接使用，未进行进一步处理.L-丙氨酸和L-缬氨酸混合样品的制备过程：分别以L-丙氨酸和L-缬氨酸摩尔比为1:1、1:3和3:1的比例称取一定质量的两种粉末样品，置于研钵中反复研磨，使两者混合均匀.将样品填充在外径为3.2 mm的ZrO2转子中，均匀压实，进行SSNMR实验.1381.2SSNMR 实验所有实验均在配备3.2 mmH/F/XMASDVT三共振探头的BrukerAVANCEIIHD400WB固体NMR波谱仪（瑞士，布鲁克公司）上进行 H和13C的共振频率分别为40 0.2 5MHz和10 0.6 5MHz，魔角旋转速率为10 kHzH 和13C的90 脉冲宽度分别为3.2 s和3.6 s，所对应的射频场强度分别为7 8 kHz和6 9kHz.所有CP过程中H的最大自旋锁定场强度为7 8 kHz，脉冲形状为功率由10 0%衰减至50%的ramp-CP脉冲2 9，13C的自旋锁定场强度为7 8 kHz，采样期间使用TPPM对 H去耦30 。所有的13CNMR谱图中，13C谱峰的化学位移均以四甲基硅烷（TMS）为参比，以金刚烷作为二次标样，将分子中CH基团13C谱峰的化学位移（8 c38.484）进行定标31,32 1.3数据分析各基团Tch相对差异度 S=（A-A)/A *10 0%，其