固体核磁共振Multiple-CP定量技术的参数优化与应用研究

doi:10.7503/cjcu20200698

摘要/Abstract

摘要：

固体核磁共振Multiple-CP定量技术可实现对不同体系、不同定量信息的检测. 然而, Multiple-CP对样品属性的宽容度较低, 其中有关样品属性的核磁共振参数包括氢的自旋晶格弛豫时间(T_1,H)、交叉弛豫时间(T_CH)和自旋锁定场下氢的自旋晶格弛豫时间( $T 1 ρ ? H$ )等. 因而需要系统地掌握Multiple-CP各种实验参数与样品上述特性参数之间的关系, 从而确定Multiple-CP技术可适用的体系范围以及最优的实验参数范围. 基于此, 首先以L-丙氨酸为模型样品, 探讨在Multiple-CP实验中弛豫恢复时间(t_d)、交叉极化接触时间(t_p)和交叉极化次数(n) 3种实验参数对分子中基团比例测量结果的影响规律. 并以L-缬氨酸、 L-丙氨酸/L-缬氨酸的混合物为模型样品, 探讨样品特性参数的差异性对Multiple-CP实验参数范围的影响. 实验结果表明, t_p受T_CH和 $? T 1 ρ ? H$ 的影响较大. 对于纯净物或均相体系, T_CH是影响t_p参数设置的关键. 依据实验数据发现, 当样品中各基团T_CH差异度小于8%时, 实验对t_p的宽容度较高; 对于混合物体系, 需同时考虑混合物中组分 $? T 1 ρ ? H ?$ 差异度的影响. 当组分 $? T 1 ρ ? H ?$ 差异度为32%、各基团T_CH差异度为21%时, Multiple-CP对t_p的宽容度高, 可在较宽的参数范围内实现定量检测. 而当T_CH差异度较大时, 获取定量结果时t_p的参数范围较小, 实验条件较苛刻. Multiple-CP定量方法更适用于T_CH和 $? T 1 ρ ? H ?$ 差异度较小的样品体系的定量研究. 通过研究样品T_CH和 $? T 1 ρ ? H ?$ 对实验参数的影响, 总结了Multiple-CP方法所适用的样品体系特征, 为使用Multiple-CP进行定量检测提供可参考的参数设置方案.

关键词: 固体核磁共振, 定量, 多次交叉极化, 实验参数, 交叉极化接触时间

Abstract:

The quantitative solid-state nuclear magnetic resonance（NMR） multiple-cross polarization（CP） technique attracts enormous interest of the material researchers. With proper setting of experimental parameters， Multiple-CP is capable to determine the molecular chemical structure， multi-phase composition and the component contents of blends. However， the accuracy of the testing results is sensitive to the experimental parameters which are tuned by the system parameters of the measuring samples. To gain the accurate results with high efficiency， it is necessary to reveal the influence behavior of the system parameters on experimental parameters. In this work， L-alanine， L-valine and their mixture were chosen as the model samples. Firstly， system parameters of spin-lattice relaxation time of ¹H（T_1，H）， cross relaxation time（T_CH） and spin?lattice rela-xation time of ¹H in the spin?locking field $(T 1 ρ ? H ?)$ were measured. Meanwhile， the accuracy of Multiple-CP results was evaluated with the variation of three experimental parameters， including relaxation recovery time（t_d）， cross-polarization contact time（t_p）， and cross-polarization times（n）. By comparing the data of different ¹³C groups， it is revealed that the setting of t_p is essential to the result accuracy， which is tuned by T_CH and $? T 1 ρ ? H ?$ of the system. Moreover， the values of the parameter difference between the molecular groups or blended components also affects the Multiple-CP results. Therefore， Multiple-CP is recommended to study the systems with similar T_CH and $? T 1 ρ ? H ?$ values. For the blends or mixtures， the identical unit of each component is suggested chosen for determining the contents.

Key words: Solid-state nuclear magnetic resonance（SSNMR）, Qualification, Multiple-cross polarization, Experimental parameter, Cross-polarization contact time

中图分类号:

O641

TrendMD:

张志兰, 王宁, 唐丹丹, 舒婕, 李晓虹. 固体核磁共振Multiple-CP定量技术的参数优化与应用研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 784.

ZHANG Zhilan, WANG Ning, TANG Dandan, SHU Jie, LI Xiaohong. Experimental Set-up and Application Research of Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Multiple-CP Technique. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 784.

图/表 12

Scheme 1 Scheme of Multiple?CP pulse sequence with CP following phase cycles

Fig.1 Structural scheme of L?alanine(inset) and the 13C Multiple?CP spectrum recorded with tp of 1.0 ms, td of 2 s and n of 4

Fig.2 Normalized peak?intensities of L?alanine recorded as a function of contact time tp using Multiple?CP scheme(A) n=1; (B) n=2; (C) n=4; (D) n=8. Each spectrum was recorded by co-adding 64 transients at 10 kHz MAS with tp varying from 0.1 ms to 2 ms, with td of 2 s.

Table 1 TCH, T1,H and T1ρ?H values of L?alanine and L?valine

Sample	Carbon	T_CH/ms	T_1,H/ms	$T 1 ρ ? H$ /ms
L?alanine	1	0.170	977.1	1.7
	2	0.042
	3	0.360
L?valine	4	0.160	718.5	2.5
	5	0.036
	6	0.033
	7	0.290
	8	0.150

Table 1 TCH, T1,H and T1ρ?H values of L?alanine and L?valine

Sample	Carbon	T_CH/ms	T_1,H/ms	$T 1 ρ ? H$ /ms
L?alanine	1	0.170	977.1	1.7
	2	0.042
	3	0.360
L?valine	4	0.160	718.5	2.5
	5	0.036
	6	0.033
	7	0.290
	8	0.150

Fig.3 Normalized Multiple?CP peak?intensities of L?alanine as a function of the number of CP contacts with td of 2 s and tp of 0.5 ms(A), 1.0 ms(B), 1.5 ms(C) and 2.0 ms(D)

Fig.4 Two dimentional projections of peak intensity modulated by Multiple?CP experimental parameters of tpvs. td for CO(A), CH(B) and CH3(C) in L?alanine and the two dimentional projection of the corresponding percentage errors(D)

Fig.5 Two dimentional projections of peak intensity modulated by Multiple?CP experimental parameters of tpvs. n for CO(A), CH(B) and CH3(C) in L?alanine and the two dimentional projection of the corresponding percentage errors(D)

Fig.6 Structural scheme of L?valine(inset) and 13C Multiple?CP spectrum recorded with tp of 1.0 ms, td of 2 s and n of 4

Fig.7 Normalized peak intensities of L?valine recorded as a function of contact time tp using Multiple?CP scheme(A) and the corresponding percentage errors modulated by tp(B)Each spectrum was recorded by co-adding 64 transients at 10 kHz MAS with tp varying from 0.1 ms to 2 ms, n of CP 4 and td of 2 s.

Fig.8 Percentage errors of the group ratio as determined using Multiple?CP with the variation of tp for L?valineTCH/ms: (A) C5(0.036) and C6(0.033); (B) C4(0.16) and C8(0.15); (C) C5(0.036) and C8(0.15); (D) C6(0.033) and C7(0.29).

Fig.9 Structural scheme of L?alanine and L?valine(inset) and the 13C Multiple?CP spectrum recorded with tp of 1.0 ms, td of 2 s and n of 4

Fig.10 Percentage errors of the group ratio as determined using Multiple?CP with the variation of tp for L?alanine and L?valine mixtureTCH/ms: (A) C2(0.042) and C5(0.036); (B) C2(0.042) and C6(0.033); (C) C3(0.36) and C6(0.033); (D) C2(0.042) and C7(0.29).

参考文献 36

1	Chen Y. X.， Yue Y. F.， Liu J.， Shu J.， Liu A. P.， Chu B. J.， Xu M. H.， Xu W. Z.， Chen T.， Zhang J.， Shen Q. D.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2019， 21（37）， 20661—20671
2	Gu J. L.， Zhao H. P.， Shu J.， Prog. Chem.， 2018， 30（12）， 54—61
3	Zhao H. P.， Chen Q.， Zhang S. M.， Micropor. Mesopor. Mat.， 2012， 155， 240—244
4	Xu J. S.， Zhao B. Z.， Li Z. Q.， Chu W. Y.， Mao J. D.， Olk D. C.， Zhang J. B.， Xin X. L.， Wei W. X.， J. Agric. Food Chem.， 2019， 67（29）， 8107—8118
5	Bernardinelli O. D.， Lima M. A.， Rezende C. A.， Polikarpov I.， deAzevedo E. R.， Biotechnol. Biofuels， 2015， 8（1）， 1—11
6	Duer M. J.， Introduction to Solid⁃state NMR Spectroscopy， Blackwell Science， Oxford， 2004
7	Hartmann S.， Hahn E.， Phys. Rev. C， 1962， 128（5）， 2042—2053
8	Pines A.， Gibby M. G.， Waugh J. S.， Chem. Phys. Lett.， 1972， 15（3）， 373—376
9	Kolodziejski W.， Klinowski J.， Chem. Rev.， 2002， 102， 613—628
10	Fu R. Q.， Tian C. L. Cross T. A.， J. Mag. Reson.， 2002， 154，130—135
11	Hou G. J.， Deng F.， Liang L. X.， J. Mag. Reson.， 2020， 37（1）， 1—15
12	Günther M.， Ziliox M.， Smith S. O.， Solid State Nucl. Mag.， 1996， 7（3）， 155—160
13	Zhang L. L.， Chen Q.， Hansen E. W.， Macromol. Chem. Phys.， 2005， 206（2）， 246—257
14	Zhang L. L.， Liu Z. J.， Chen Q.， Hansen E. W.， Macromolecules， 2007，（40）， 5411—5417
15	Hou G. J.， Deng F.， Ye C. H.， Ding S. W.， J. Chem. Phys.， 2006， 124（23）， 234512
16	Hou G. J.， Deng F.， Ding S. W.， Fu R. Q.， Yang J.， Ye C. H.， Chem. Phys. Lett.， 2006， 421（4—6）， 356—360
17	Takeda K.， Noda Y.， Takegoshi K.， J. Mag. Reson.， 2012， 214， 340—345
18	Hou G. J.， Ding S. W.， Zhang L. L.， Deng F.， J. Am. Chem. Soc.， 2010， 132， 5538—5539
19	Shu J.， Chen Q.， Zhang S. M.， Chem. Phys. Lett.， 2008， 462（1—3）， 125—128
20	Shu J.， Li P.， Chen Q.， Zhang S. M.， Macromolecules，2010， 43（21）， 8993—8996
21	Shu W. F.， Zhang S. M.， Chem. Phys. Lett.， 2011， 511（4—6）， 424—426
22	Zhang S. M.， Concept. Magnetic. Res.， 1994， 6（4）， 275—292
23	Gerstein B. C.， Dybowski C. R.， Transient Techniques in NMR of Solids： An Introduction to Theory and Practice， Academic Press， San Diego， 1985
24	Zhang S. M.， Wu X. L.， Mehring M.， Chem. Phys. Lett.， 1990， 166（1）， 92—94
25	Johnson R. L.， Schmidt⁃Rohr K.， J. Magn. Reson.， 2014， 239， 44—49
26	Duan P.， Schmidt⁃Rohr K.， J. Magn. Reson.， 2017， 285，68—78
27	Raya J.， Perrone B.， Hirschinger J.， J. Magn. Reson.， 2013， 227， 93—102
28	Raya J.， Hirschinger J.， J. Magn. Reson.， 2017， 281， 253—271
29	Bernardinelli O. D.， Lima M. A.， Rezende C. A.， Polikarpov I.， de Azevedo E. R.， Biotechnol. Biofuels， 2015， 8（1）， 1—11
30	Saïdi F.， Taulelle F.， Martineau C.， J. Pharm. Sci.，2016， 105（8）， 2397—2401
31	Zhang Y. L.， Li L. J.， Yao S. H.， Mao J. D.， Schmidt‐Rohr K.， Olk D. C.， Cao X. Y.， Cui J. F.， Zhang B.， Eur. J. Soil Sci.， 2018， 69（5）， 868—878
32	Chu W. Y.， Cao X. Y.， Schmidt⁃Rohr K.， Birdwell J. E.， Mao J. D.， Energy Fuels， 2019， 33（2）， 645—653
33	Peersen O. B.， Wu X. L.， Kustanovich I.， Smith S. O.， J. Magn. Reson.， 1993， 104， 334—339
34	Bennett A. E.， Rienstra C. M.， Auger M.， Lakshmi K. V.， Griffin R. G.， J. Chem. Phys.， 1995， 103（16）， 6951—6958
35	Hayashi S.， Hayamizu K.， Bull. Chem. Soc. Japan， 1991， 64， 685—687
36	Morcombe C. R.， Zilm K. W.， J. Magn. Reson.， 2003， 162（2）， 479—486

[1]	李志光, 齐国栋, 徐君, 邓风. Sn-Al-β分子筛酸性在葡萄糖转化反应中作用的固体NMR研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220138.
[2]	王美银, 黄道丰, 陈欣, 周俊夫, 任远航, 叶林, 岳斌, 贺鹤勇. 介孔磷钨酸铯盐的液相组装及酸性研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2734.
[3]	赵淑芳, 黄骏. 分子筛材料的酸性和择形选择性的固体核磁共振研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 165.
[4]	潘梦芸, 冯流星, 李红梅. 高效液相色谱-非特异性同位素稀释质谱联用技术定量分析全血中总血红蛋白含量[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1983.
[5]	彭伙, 高则航, 廖承悦, 王晓冬, 周洪波, 赵建龙. 一种用于核酸绝对定量检测的高鲁棒性液滴式数字PCR芯片[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1760.
[6]	白翠婷, 岳仁叶, 罗列高, 马楠. 基于双色荧光传感器的癌细胞成像及microRNA定量检测[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1252.
[7]	叶晓栋, 齐国栋, 徐君, 邓风. Au负载SBA-15分子筛上葡萄糖氧化反应[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(5): 960.
[8]	肖宇情,李申慧,汤晶,徐君,邓风. 金属有机框架材料的结构、动力学行为和主客体相互作用的固体核磁共振研究[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(2): 204.
[9]	赵星岭, 齐国栋, 王强, 褚月英, 高伟, 李申慧, 徐君, 邓风. Ga改性Ga/ZSM-5分子筛的结构、性质及其催化丙烷芳构化的固体核磁共振波谱研究[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2681.
[10]	张怡萌, 张慧欣, 刘洋. 外泌体生物分析及其临床应用研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2306.
[11]	吴志东, 尤静林, 王建, 王敏, 何莹霞, 杨冶金. 基于精细结构对二元钠硅酸盐玻璃核磁共振波谱的研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(1): 108.
[12]	谭雪莹, 张泰铭, 邓飞跃, 黄坚, 文庆, 陈春楠. 非线性化学指纹图谱技术用于菖蒲的鉴别及二元混合物中不同菖蒲含量的测定[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(7): 1440.
[13]	顾佳丽, 张田田, 赵辉鹏, 舒婕, 李晓虹. 耗时短、通用性强的固体核磁共振交叉极化定量检测方法[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(3): 463.
[14]	辛美玲, 褚振华, 李鱼. 基于分子对接技术及CoMSIA/HQSAR辅助的二羟基多氯联苯衍生物分子修饰[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 299.
[15]	余敏, 黄晶晶, 马敏, 付瑞燕, 鄢嫣, 张福生, 殷俊峰, 谢宁宁. 三肽的锌螯合活性及定量构效关系分析[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 234.