תמ"ג במצב מוצק

הסיבות להתרחבות הסיגנלים

בדרך כלל, דוגמאות נוזליות (הומוגניות ודיאמגנטיות) נותנות סיגנלים חדים בספקטרום התמ"ג. זאת למרות הידודים דו-קוטביים גדולים ואניזוטרופית היסט כימי שהיה, חרף הגלגול המולקולרי האיזוטרופי המהיר, מרחיב את הספקטרום עד כדי כך שלא היה אפשרות לראותו בספקטרומטר תמ"ג רגיל (תרשימים 1, 2).

ספקטרומים הפרוטון והפחמן של מוצקים במצבי איסוף רגילים מראים סיגנלים רחבים בדרך כלל מתחום היסט הכימי שלהם ורחבים מדי מכדי לראותם בספקטרומטר תמ"ג רגיל.

במצבים בין נוזלים ומוצקים כאשר הנוזל צמיג או תקריש ו/או המולקולה גדולה (כמו חלבון) נראה הרחבה פחותה.

תרשים 1. ספקטרום תמ"ג פרוטון של איזופרופיל-β-D-גלקטופירנוסיד מוצק (למעלה) ללא סיבוב ביחס לתמיסה ב-DMSO-d6 (למטה). רוחב הסיגנל דומה לזה של תחום היסט הכימי לכן קשה להוציא שום מידע על היסט הכימי. הספקטרום מורחב עוד יותר כתוצאה מצימוד דו-קוטבי בין-גרעיני מאחר שכוח הפרת הצימוד הרגיל שנדרש להפרת צימוד סקלרי אינו מספיק.

ספקטרום מוצק ללא סיבוב ובתמיסה

תרשים. 2. ספקטרום תמ"ג פחמן עם הפרת צימוד רגיל של כולסטריל אצטת מוצק (למעלה) ללא סיבוב ביחס לתמיסה ב-CDCl3 (למטה). רוחב הסיגנל דומה לזה של תחום היסט הכימי לכן קשה להוציא שום מידע על היסט הכימי. הספקטרום מורחב עוד יותר כתוצאה מצימוד דו-קוטבי בין-גרעיני מאחר שכוח הפרת הצימוד הרגיל שנדרש להפרת צימוד סקלרי אינו מספיק.

ספקטרום מוצק ללא סיבוב ובתמיסה

ניתן להסיר כמעט לחלוטין את ההשפעות של אניזוטרופיית היסט כימי וצימוד דו-קוטבי חד-גרעיני מגרעינים בעל ספין חצי (פרוטון, פחמן, וכו') על ידי סיבוב מהר מאוד סביב ציר הקסם (°54.736 מהאנכי). אולם לא תמיד אפשר להסיג את מהירות הסיבוב הנדרש וצריכים לשלב הפרת צימוד מורכב מפולסים רבים בכוח גבוה עם סיבוב מהר סביב ציר הקסם.

חזרה לראש העמוד

פרוטון

ניתן להפחית את רוחב קו הפרוטון עם סיבוב סביב ציר הקסם (MAS) (תרשים 3). אומנם, כדי להסיר צימוד תופעות דו-קוטבי חד-גרעיני בספקטרום תמ"ג פרוטון של מוצקים, נדרש מהירות סיבוב קיצוני של כ-70 קילוהרץ ו/או בפולסים בכוח גבוה מאוד בזמן האיסוף. השיטה נקרה CRAMPS (סיבוב משולב עם סידרת רב-פולס) ובדרך כלל דורש מגברים לכוח גבוה ומגנט עם קדח רחב. למרות זאת ניתן לקבל תוצאות סבירות בגרסה wPMLG5  (אפנון פאזה לי-גולדברג מחולן בחמש שלבים) של CRAMPS שמסיגה רוחבי קו של 200 הרץ (תרשים 4). שים לב שהמתילים האיזופרופילים מפוצלים ב-‎0.5 ppm‌ בספקטרום wPMLG5 מאחר שהסיבוב שלהם קפוא בגביש.

תרשים. 3. תחום המלא של ספקטרום פרוטון MAS של איזופרופיל-β-D-גלקטופירנוסיד מוצק: ללא סיבוב, מסתובב ב-12 קילוהרץ, wPMLG5 ובתמיסה

ספקטרומים מוצק ללא סיבוב, מוצק עם סיבוב, מוצק עם wPMLG5 ובתמיסה

תרשים 4. ספקטרום פרוטון MAS של איזופרופיל-β-D-גלקטופירנוסיד מוצק מורחב: ללא סיבוב, מסתובב ב-12 קילוהרץ, wPMLG5 ובתמיסה

ספקטרומים מוצק ללא סיבוב, מוצק עם סיבוב, מוצק עם wPMLG5 ובתמיסה

חזרה לראש העמוד

גרעינים בעלי ספין חצי (כמו פחמן)

לגרעינים בעלי ספין חצי, תמ"ג 13C, 13C, 15N, וכו', הצימוד הדו-קוטביהחד-גרעיני בדרך כלל לא משמעותי בגלל שכיחות נמוכה או בידוד הגרעינים. ניתן להפר את הצימוד הבין-גרעיני בכוח גבוה. אבל מחמת זמני הרלקסציה הארוכים מאוד של סיגנלים (חוץ מפרוטון) במצב מוצק, נדרשות השהיות לצורך רלקסציה של כמה דקות בין הפולסים. יוצא מן הכלל ניתן לציון הוא אדמנטן (תרשים 5) משום שהוא גביש פלסטי ועבורו השהיית רלקסציה של חמש שניות מספיקה.

תרשים 5. ספקטרום 13פחמן עם הפרת צימוד בכוח גבוה (HPDEC) עם סיבוב בציר הקסם

HPDEC של אדמנטן המכיל שני סיגנלים

כאשר יש פרוטונים בסביבה (על למרחק של כמה קשרם) הרגישות מוגבר בהרבה וההשהיות הרלקסציה מוקטנות בהרבה לאלה של פרוטון בעירור הפרוטון והפחמן בו זמנית עם פולסים לנעילה ספין מותאמים בתהליך שנקרה הצבת קיטוב שפועל דרך צימוד דו-קוטבי. שיטה זו משולב עם סיבוב בציר הקסם במהירות בין 5 ו-15 קילוהרץ כדי לתת ספקטרום בהפרדה גבוה. השיטה נקרה סיבוב בציר הקסם עם הצלבת קיטוב (CP-MAS). אבל שיטה זו משאיר פסי צד של סיבוב וניתן להפר אותם בעזרת סדרות פולסים SELTICS (השמדת פסי צר בהפסקה אריית של היסט כימי) או TOSS (הפרת פסי צד מושלמת).

כולסטריל אצטט נותן דוגמה טובה של ספקטרום (תרשים 6) CP-MAS עם סיגנלים צרים עד כדי 15 הרץ. שים לב שכל סיגנלי מצב המוצק מפוצלות ביחס לספקטרום של התמיסה. זה מעיד על קיום שתי קונפרומציות שונות במצב מוצק.

תרשים 6. ספקטרום 13C CP-MAS של כולסטריל אצטט מוצק (למעלה) עם הפרת פסי צד של סיבוב ביחס לספקטרום של תמיסה ב-CDCl3 (למטה).

CPMAS של כולסטריל אצטט

ספקטרום ה-CP-MAS לא תמיד מופרד היטב כמו זה לעיל אבל יכול לתת מידע שימושית. לדוגמה הצבע מחילזון כהה קוצים (צבע התכלת) שמרכיבי הצבע הפעילים שלו הם אינדיגו ונגזרות ברומו של אינדיגו. הדוגמה היא תוצר מסחרי ולא מתמוסס לגמרי ולכן רובו לא מופיע בספקטרום של התמיסה. שילוב 13C (תרשים 7), 15N (תרשים 8), ו-31P (תרשים 9) CP-MAS מראה שרוב החומר הוא זרחתיים אורגניים וחלבונים.

תרשים 7. ספקטרום 13C CP-MAS של התכלת שהוא אופייני לחלבונים

ספקטרום 13C CP-MAS של התכלת

תרשים 8. ספקטרום 15N CP-MAS של תכלת המראה סיגנל באזור אמיד של חלבון

ספקטרום 15N CP-MAS של התכלת

תרשים 9. ספקטרום 31P CP-MAS של תכלת שמראה סיגנל של זרחתיים אורגניים

ספקטרום 31P CP-MAS של התכלת

חזרה לראש העמוד

מסנני רלקסציה

זמני הרלקסציה (תפוגה) של פרוטונים במצבמוצק תלויים מאוד בדרגת הסדר בדוגמה. דוגמאות החסרות צורה (amorphous) נפוגים מהר יותר בדרך כלל ביחס לדוגמאות גבישיים. זה שימושי לחקירת חומרים בלתי-אחידים כולל דוגמאות מיקרו- וננו-הטרוגניים כמו מטריצת ננו-חלקיקים, מצעים נקבוביים וקופולימרים גושיים. להדגים את השיטה, ערבבו דם חילזון שהוא חסר צורה עם סוכרוז גבישי. מסנן לזמן רלקסציה סיבובי, T1ρ, ארוך בפועל מחסיר את הסיגנלים מהחומר החסר צורה ומשאיר רק את הספקטרום של סוכרוז. מסנן לרלקסציה אורכי, T1, קצר מוריד את הסיגנלים של הסוכרוז בצורה ניקרת וניתן להוריד אותם לגמרי עם חיסור השפקרטום המסונן T1ρ (תרשים 10).

תרשים 10. הדגמת השימוש במסנני רלקסציה להפרדה בין מרכיבים גבישיים ממרכיבים חסרים צורה

שימוש במסנני רלקסציה

חזרה לראש העמוד

מצב מוצק דו-מימדי

כמו בנוזלים, ניתן לבצע תמ"ג דו-מימדי במצב מוצק. בדרך כלל מסיגים התאמה בין גרעינים במצב מוצק בעזרת צימוד דו-קוטבי. תווך ההתאמה תלוי במשך-המגע. משך-המגע של כ-50 מיקרושניות נותן התאמות של קשר אחר (תרשים 11) ואילו משך מגע ארוך יותר (1 עד 10 מיקרושניות) נותן גם התאמות לתווך ארוך יותר (תרשים 12).

תרשים 11. 13C-1H CPHETCOR לתווך קצר עבור טירוזין HCl

CH HETCOR

הגרעין המתואם אינו חייב להיות פחמן וניתן לזהות התאמות לתווך ארוך יותר מאלה שאפשר לראותם במצב נוזל. לדוגמה עבור סיליקה בסול-ג'ל ניתן לראות התאמות מפרוטון . לצורן.

תרשים 12. 29Si-1H CPHETCOR לתווך ארוך של סול-ג'ל

SiH HETCOR

הקווים בספקטרום פרוטון במצב מוצק סדרי גודל רחב יותר מאשר פיזור היסט הכימי שלהם. אולם הרוחב עבור כל פרוטון שונה ומעיד על קשיחות הסביבה שלהם. ניתן להשתמש בספקטרום דו-מימדי של קווים רחבים (CPWISE) לראות את הקווים המופרדים לפי ההיסט הכימי של פחמן (תרשים 13).

תרשים 13. ספקטרום CPWISE של תערובת של דם חילזון וסוכרוז המראה רוחבי קו שונים המעידים על הבדלים בקשיחות

CPWISE

חזרה לראש העמוד

גרעינים ארבע-קוטביים

לגרעינים ארבע-קוטביים, רוחב הקו לא מצטמצם כל כך כמו לגרעינים בעל ספין חצי כתוצאה מסיבוב בציר הקסם בלבד. ספקטרומים ארבע-קוטביים של גרעינים בעלי ספין שלם וחצי (3/2, 5/2, 7/2 ו-9/2) מורכב משני סוגים נפרדים של העברה: מעבר מרכזי (CT) שהוא יחסית צר (קילוהרצים אחדים) ומעבר רב-מנתי (MQ) רחב (עם רוחב קו בסדר גודל של מגהרץ סיבוב בציר הקסם במהירויות הניתנים להישג מצמצם את ה-CT פי שלושה או ארבעה ונותן פסי צד של סיבוב מעבר לתחום של מעבר ה-MQ. אם הגרעינים של ה-CT בסביבה סימטרית מאוד כמו לאשלגן ברומייד (KBr), ניסוי רגיל עם פולס אחד עם סיבוב בציר הקסם יכול להספיק לתת סיגנל מספיק צר (מלווה בפסי צד) (תרשים 14). שים לב שנהוג להשתמש בספקטרום 79Br של KBr במקום ספקטרום ה-81Br לצורך כיול הגלאי למרות הרגישות וההפרדה המעט פחותות של 79Br ביחס ל-81Br משום שהתדר שלו קרוב לזה של 13C ופוחת את צוקך כיוונון הגלאי.

תרשים 14. ספקטרום 79Br MAS של KBr

ספקטרום של KBr

בדרך כלל ה-CT אינו צר ואי אפשר להפריד בין הסיגנלים. ייתכן שקיימים סיגנלים לא מופרדים הנובעים מסביבות שונות. רובידיום חנקתי (RbNO3) הוא דוגמה לכך (תרשים 15). ספקטרום ה-87Rb של RbNO3 מראה פסי צד של סיבוב פרוס על יותר ממגהרץ.

תרשים 15. ספקטרום 87Rb MAS של RbNO3 המראה את כל התחום

ספקטרום RbNO3 מלא

ה-CT של RbNO3 הוא סיגנל רחב המכיל לפחות שני מרכיבים לא מופרדים.

תרשים 16. הרחבת אזור מעבר המרכזי (CT) של ספקטרום 87Rb MAS של RbNO3

מרכז הספקטרום של RbNO3

כדי להפריד בין הסיגנלים משתמשים בניסוי סיבוב בציר הקסם רב-מנתי (MQ-MAS) (תרשים 17) או סיבוב בציר הקסם עם מעבר מלווין (ST-MAS) (תרשים 18). ST-MAS נותן תוצאות הרבה יותר רגישות מ-MQ-MAS אבל מאוד רגיש לדיוק זווית הקסם ופרמטרים אחרים שעשה אותו קשה להסיג את ההפרדה כמו זה של MQ-MAS. עם הכנה זהירה לניסוי, ST-MAS ייתן תוצאות יותר טובות מאלה של MQ-MAS. שני הניסיונות יתנו ספקטרום דו-מימדי עם סיגנלי CT ארבע-קוטביים רחבים ב-f2 סיגנלים איזוטרופיים חדים יותר ב-f1. ניסוי ה-ST-MAS של RbNO3 מראה שני מרכיבים מופרדים לסיגנל של רובידיום.

תרשים 17. ספקטרום 87Rb ST-MAS של RbNO3. ההשלכה של f1 נותן את הספקטרום האיזוטורופי.

ספקטרום ST-MAS של RbNO3 שמראה שני סיגנלים

Fig. 18. ספקטרום 87Rb MQ-MAS של RbNO3. ההשלכה של f1 נותן את הספקטרום האיזוטורופי.

ספקטרום MQ-MAS של RbNO3 שמראה שני סיגנלים

חזרה לראש העמוד

HR-MAS של קשיחים למחצה

דוגמאות קשיחים למחצה כוללות תחליבים, גבישים נוזליים, רקמות ביולוגיות ונוזלים בעלי מבני מיקרו- וננו- אחרים. ככול שהזורם צמיג או קרישי יותר כך הסיכוי גבוה יותר ש-HR-MAS יכול לשפר את ההפרדה. דוגמה של גביש נוזלי צמיג מאוד מופיע בתרשים 19.

תרשים 19. השוואה בין ספקטרום תמ"ג פרוטון רגיל ו-HR-MAS של גביש נוזלי

השוואה בין ספקטרום תמג פרוטון רגיל ו-HR-MAS של גביש נוזלי

פה ניקח חלב כדוגמה של תחליב. בגלאי רגיל לנוזלים הסיגנלים מורחבים ביחס לאלה של תמיסות אחידות (תרשים 20). ההיסטים הנמדדים לסיגנלים הנובעים מפאזת השמן אינם היסטים כימיים טהורים אלה כוללים הסיטים הנובעים מסוספטיביליות (ארות) מגנטית מרחבית (BMS).

תרשים 20. ספקטרום תמ"ג פרוטון רגיל של חלב 3% שומן עם הפרת מים בהיפוך התוששות המראה התרחבות סיגנלים והיסטים מסוספטיביליות מגנטית מרחבית (BMS) בפאזת השמן

ספקרום תמג רגיל של חלב

כאשר מסובבים את הדוגמה סביב ציר הקסם במהירות ארבע קילוהרץ הסיגנלים נהיים הרבה יותר חדים (תרשים 21) והיסט ה-BMS מתאפס ומאפשר השוואת היסטים כימיים בין פאזות השמש והמים.

תרשים 21. ספקטרום HR-MAS רגיל של חלב 3% שומן עם הפרת מים בהיפוך התוששות. הסיגנלים הרבה יותר חדים ביחס לספקטרום לעיל.

ספקטרום HR-MAS של חלב

נוכחות סיגנלים חדים מאפשר שימוש בשיטות דו-מימדיות כמו במצב נוזלי כמו TOCSY (תרשים 22).

תרשים 22. ספקטרום HR-MAS TOCSY של חלב 3% שומן

ספקטרום HR-MAS TOCSY של חלב

בגלאי ה-HR-MAS שלנו יש גרדיאנט (מפל שדה) המאפשר תמ"ג דו-מימדי משופר בידי גרדיאנט כמו COSY (תרשים 23) והתאמה בין-גרעינית (תרשים 24).

תרשים 23. ספקטרום HR-MAS DQF-COSY של חלב 3% שומן

ספקטרום HR-MAS DQF-COSY של חלב

תרשים 24. ספקטרום HR-MAS HMQC (התאמה בין-גרעינית) של חלב 3% שומן

ספקטרום HR-MAS HMQC (התאמה בין-גרעינית) של חלב

חזרה לראש העמוד

שירות התמ"ג שלנו, למה זה רחב?, גרעינים בעלי ספין חצי, מסנני רלקסציה, מצב מוצק דו-מימדי, גרעינים ארבע-קוטביים, קשיחים למחצה, שיטות תמ"ג, תזרה לדף הבית

©Roy Hoffman and Yair Ozery, The Hebrew University, Revised 2009-09-22T012:58+03