Name: high-temperature and high-pressure in situ magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy
Uploaded: 2020-10-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 55 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-Temperature and High-Pressure In situ Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at JoVE.com

触媒用途の見直しは、米国エネルギー省、科学省、基礎エネルギー科学局、化学科学部門、生物科学部門、地球科学触媒プログラム(DE-AC05-RL01830およびFWP-47319)によって支援されました。バイオメディカルアプリケーションのレビューは、R21ES029778の助成金の下で国立衛生研究所、環境衛生科学研究所によってサポートされました。実験は、生物環境研究局が主催するDOE科学ユーザー施設であるEMSL(grid.436923.9)で行われ、太平洋北西部国立研究所(PNNL)に設置されました。PNNLは、契約DE-AC05-RL01830とFWP-47319の下で米国エネルギー省のためにバッテルが運営するマルチプログラム国立研究所です。

このプロトコルは、1)システムで使用されている固体材料の調製または望ましくない吸着種の活性化または除去、2)NMRローターへの固体および液体材料の添加、3)ロータへのガスの追加、および4)分光計でNMR実験を行うことを指定する4つのセクションに分けられる。この手順は典型的な配列を代表するが、実験の特定のニーズに合わせて修正されてもよい。
1. 固体サンプルの前処理
<ol><li>NMR実験に必要な固体サンプルの約2倍の質量(7.5mmローター、〜250mg)の重量を量り、固体サンプルを炉システムで材料を処理するために使用される石英サンプルチューブに入れ、材料を所定の位置に保持するために石英羊毛でチューブを差し込みます。</li>
	<li>冷却炉にチューブを配置し、接続を締めることによって、分離バルブを固体処理1)フローまたは2)真空システムに接続します。</li>
	<li>開いた位置のガス分離弁に石英管端を貼り付けます。</li>
	<li>治療を開始します。<ol>
<li>フローシステムの場合:<ol>
<li>熱電対をチューブの外側に貼り付け、耐熱性材料で所定の位置に保持します。</li>
			<li>処理ガスの流れを開始(例えば、100sccmでN2) 固体表面をクリアするか、材料を活性化する。</li>
		</ol>
</li>
		<li>あるいは、真空システムの場合:<ol>
<li>真空システムに隔離バルブを閉じ、真空ポンプを起動します。</li>
			<li>完全な真空が確立されると、非常にゆっくりと分離バルブを開いてサンプルに真空を適用し、システムが平衡化できるように定期的に一時停止します。バルブが開くまで続けます。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>炉コントローラをオンにし、温度ランププログラムを所望の状態(例えば、300°C、5°C/分のランプレートで4時間)に設定します。</li>
	<li>温度プログラムを起動し、実行させます。</li>
	<li>完了したら、サンプルを実行可能な温度まで冷却します。</li>
	<li>温度コントローラをオフにして、流れ/真空を停止します。</li>
	<li>サンプルを分離バルブで素早く密封し、目的のサンプル環境を維持します。</li>
	<li>処理システムから石英管を外し、チューブと閉じたバルブを乾燥したN2パージされたグローブボックスの前房に移します。</li>
	<li>空にして、少なくとも4回は控え室を補充し、グローブボックスの内部のチューブを移します。</li>
</ol>2. 固体サンプルをNMRローターにロードする
<ol><li>ローターキャップを使用して、空でクリーンな高圧高温のNMRローターの重量を量ります。</li>
	<li>方向を維持するために、NMR ローターをホルダーに配置します。</li>
	<li>サンプル漏斗をローターの穴に入れる。</li>
	<li>サンプルチューブから分離バルブを取り外し、少量の固体材料を漏斗に注ぎます。</li>
	<li>粉末を漏斗に押し込み、必要に応じて梱包棒でローターに軽く向けます。</li>
	<li>所望の量(例えば、1/2ローター)が達成されるまで、固体材料の段階的な添加を繰り返します。</li>
	<li>NMRローター(およびキャップ)をサンプル内部で計量し、添加したサンプルの量を決定します。</li>
	<li>必要に応じて、液体サンプルの指定された量を引き出し、ゆっくりとマイクロシリンジでNMRローターの中心に液体を注入します。</li>
	<li>キャップを上部に置き、ローターキャップビットで反時計回りに回転させ、ローターとキャップの間のOリングを巻き付けてローターを密封します。特に化学的に研磨剤の混合物や水素などの小さなガスを使用する場合、漏れを防ぐために、新しいOリングが定期的に必要になることがあります。</li>
	<li>NMRロータの重量を量って、添加したサンプルの総質量を決定します。</li>
</ol>3. 所望の条件で所望の化学薬品でNMRローターを充電
<ol><li>密閉されたNMRローターをローターステージに入れ、ステージインサートのサイズがローターサイズと互換性があることを確認し、ナットを手で締めて所定の位置に固定します。なお、このステップでは、ホルダーのローターの締め付けがキャップシールの締め付けを決定します。</li>
	<li>ローターステージを高圧露光装置の下部に下げます。</li>
	<li>アレンレンチを使用してネジの1つを90°回転させ、ローターステージを露出装置の底部に固定します。</li>
	<li>NMR ローディング デバイスの上部のセクションを下部セクションの上に配置し、NMR キャップ ビットを NMR ロータのキャップ ヘッドの上部に並べて、エンゲージしていることを確認します。</li>
	<li>露光装置の上下のセクションが合致する唇の上部に2つのクランプを置き、所定の位置にラッチします。</li>
	<li>露出装置の上部の上部にある6つのボルトを締め、上部セクションと下部セクションの間にシール面を係合します。</li>
	<li>NMR露光装置の上部部分をガスラインの入口および出口に接続します。</li>
	<li>NMR露光装置の上部にある熱電対を温度センサに接続します。</li>
	<li>必要に応じて、露光装置のガスラインと上部セクションの周りに加熱テープを包み、それぞれのコントローラで加熱を可能にする。ホットプレートもエンゲージできます。</li>
	<li>露光室出口が開いていて、ソースガスバルブが閉じられていることを確認し、真空ポンプをオンにして、露光装置および関連するラインから空気を除去します。</li>
	<li>目的のガスまたは不活性ガスのいずれかでラインをパージし、真空と大気圧の間を3回サイクリングして、ラインが空気を取り除くようにします。</li>
	<li>1)高圧送達システムまたは2)流れシステムから所望のガス組成を準備し、指定された圧力で蒸気を導入します。<ol>
<li>高圧または真空サンプル調製の場合:<ol>
<li>露光装置のガス出口を閉じ、液体注入ラインをバイパスするように気管マニホールドバルブを設定します。</li>
			<li>高圧送達システムの高圧シリンジポンプに所望の圧力を設定します。</li>
			<li>高圧シリンジポンプのガス源バルブを開き、ポンプにセットされたプログラムを実行して、露光装置内部の実際の圧力を監視します。</li>
			<li>露出装置の内部で所望の圧力が得られたら、シリンジポンプを停止し、ソースガスバルブを閉じます。</li>
			<li>内部のNMRキャップビットに結合される外部ねじ機構を時計回りに回転させることによって、NMRローターを開きます。</li>
			<li>所望の圧力のガスをNMRローターに入り、平衡化する。</li>
			<li>外部ねじ機構を反時計回りに回転させることにより、NMRロータを再シールします。表示ウィンドウは、ローターがいつ閉じているかの判断に役立つ。</li>
			<li>露光装置ガス出口弁を開けてシステムをゆっくり減圧する。</li>
		</ol>
</li>
		<li>流れるガスまたは蒸気サンプルの準備のために:<ol>
<li>露光装置のガス出口が開いているか確認して、過圧を防ぎます。</li>
			<li>マスフローコントローラに所望のガス流量を設定し、ガスの流れを開始します。</li>
			<li>液体シリンジポンプからガスマニホールドに液体供給ラインを接続します。</li>
			<li>液体注入ラインへの流れを可能にするためにガスマニホールドバルブを設定します。</li>
			<li>液体シリンジポンプに液体流量を設定して、所望の蒸気圧を達成し、液体注入を開始します。</li>
			<li>内部のNMRキャップビットに結合される外部ねじ機構を時計回りに回転させることによって、NMRローターを開きます。</li>
			<li>システムがNMRロータ内部の所望のガス圧力に平衡化し、外部ねじ機構を反時計回りに回転させることによってNMRロータを再シールすることを可能にする。表示ウィンドウは、ローターがいつ閉じているかの判断に役立つ。</li>
			<li>液体シリンジポンプの注入を停止し、システムからポンプを切断し、液体注入ラインをバイパスするようにバルブを設定します。</li>
			<li>流れるガスを止める。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>不活性ガスでシステムをパージして、有毒または可燃性ガスを除去します。</li>
	<li>加熱を停止し、システムを冷却させます。</li>
	<li>加熱テープと熱電対を取り外します。</li>
	<li>入口と出口ガスラインを外します。</li>
	<li>露出装置の上部にある6本のボルトを緩めてシールを妥協します。</li>
	<li>2 つのクランプ セクションのクリップを外し、露出デバイスから取り外します。</li>
	<li>上部セクションを慎重に上げ、下側のセクションから離します。</li>
	<li>アレンレンチを使用してローターステージを緩め、ねじ棒で描きます。</li>
	<li>ローターステージのナットを緩め、デバイスコンポーネントからローターを取り外します。</li>
	<li>ロータの重量を量って、所望のガス量が存在することを確認します。</li>
</ol>4. MAS NMR実験の実施
<ol><li>NMRローターをNMRプローブのNMRコイルに挿入します。</li>
	<li>プローブを磁石の穴に持ち上げ、所定の位置にロックします。</li>
	<li>MASコントロールボックスを使用してサンプルスピニングを開始し、希望の回転子回転速度に調整します。</li>
	<li>コンピュータを使用して、目的のチャネルでチューニング/マッチ シーケンスを開始します。</li>
	<li>プローブのチューニング/マッチング設定を調整して、プローブ・エレクトロニクスを最適化します。</li>
	<li>コンピュータ上でチューニング/マッチシーケンスを終了し、必要な実験パラメータ(パルスシーケンス、実験配列、温度など)を設定します。</li>
	<li>MAS NMR データを収集します。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Andrew, E. R., Bradbury, A., Eades, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+Magnetic+Resonance+Spectra+from+a+Crystal+rotated+at+High+Speed.">Nuclear Magnetic Resonance Spectra from a Crystal rotated at High Speed.</a> Nature. 182 (4650), 1659 (1958).</li><li>Lowe, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free+Induction+Decays+of+Rotating+Solids.">Free Induction Decays of Rotating Solids.</a> Physical Review Letters. 2 (7), 285-287 (1959).</li><li>Frydman, L., Grant, D. M., Harris, R. 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著者らは、次の競合する財政的利益を宣言する。J.Z.Hたちは、ローター設計に関する特許を取得している(US9151813B2)。J.Z.H.、N.R.J.、他は、暴露装置に対する暫定特許出願を行っている。

本明細書で概説するMAS NMR分光測定を行う方法は、高温、高圧MAS NMRを導行するための最先端の技術を表す。このような方法は、数百のバーまで、低温(0°Cから250°Cをはるかに下回る)から真空大気中で発生する相互作用を、信頼性の高い再現可能な方法で観察することを可能にします。柔軟な化学環境下で固体、液体、ガスの混合物を含むシステムをプローブする能力は、多様な興味のための?...

サンプルの分光分析は、化学状態、構造、反応性などの関心のある材料に関する貴重な情報を得るために使用される分析ツールです。単純な観点では、核磁気共鳴(NMR)は、原子核のスピン状態を操作して対象種の化学環境をよりよく理解するために強い磁場を利用する技術の1つです。核スピン状態とは、紡糸核の運動によって誘導される磁気モーメントの相対方向をいい、正に帯電した粒子である。磁場がない場合、核スピンはランダムに指向されますが、磁場の存在下では、低エネルギースピン状態で磁石の外部磁場と優先的に整列します。スピン状態を離散エネルギー値に分割することは、ゼーマン効果と呼ばれます。これらのエネルギーレベル(ΔE)の差は、方程式1でモデル化されます。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61794/61794equ01.jpg"> ここで h はプランク定数、B0 は外部磁界の強さ、γは核のジャイロ磁性比です。これらのスピンの化学環境はまた、これらのエネルギーレベルにわずかな摂動を適用します。対応する周波数の電波を用いて核を励起することができ、縦方向磁化(平行および反平行状態のスピンの母集団に基づく)が減少するにつれて、スピンが相コヘレンスを得ることに起因する横磁化を発生させる。核が磁場の軸を中心に進み続けると、回転する磁力運動は、回転して電界を発生させる磁場を作り出します。このフィールドは、NMR検出コイル内の電子を調節し、NMR信号を生成します。サンプル中の核の化学環境のわずかな違いは、コイルで検出される周波数に影響を与えます。
固体サンプルのNMR分析は、流体に見つからない複雑さを導入します。流体では、分子は速い速度で転倒し、核の周りの化学環境を空間的に平均します。固体試料では、このような平均化効果は生じず、NMR信号に配向依存性の化学環境と広いスペクトル線を導入する。これらの課題を軽減するために、マジックアングルスピニング(MAS)と呼ばれる技術が1,2を採用しています。MAS NMRでは、外部回転機構を使用して外部磁界に対して54.7356°の角度でサンプルを素早く回転(数キロヘルツ)、方向依存(異方性)相互作用に対処します。これは、実質的にNMRの特徴を狭め、化学シフト異方性、双極性相互作用、および四極相互作用の向き依存項を平均することにより、スペクトル分解能を高める。2つの顕著な例外は、MAS NMRのライン狭機能を妨げる。第1は、強いホモ核結合が1HNMRに存在する場合もあるが、除去するには高い紡糸速度(〜70kHz)を必要とする。しかし、高温用途の大幅に高温の温度は、大幅に高められたスペクトル分解能のために大幅に減少したサンプルの回転速度を利用することができるように強化された熱運動を付与することによって、1Hの同核相互作用を大幅に抑制する。さらに、この技術が進化し続ける中で、直径の小さいローターを製造して5kHzをはるかに超える回転速度を達成することができ、1Hのホモ核双極子相互作用をさらに抑制するのに役立ちます。第2の例外は、1次項のみがマジックアングルで排除され、より強い外部磁界によってのみ改善できるより複雑な線形状を残すため、スピンを持つ核の残留2次四極相互作用が半分を超えるということです。2D MQMAS技術は、標準MQMAS実験3と同様の方法で真の等方性の化学的シフトスペクトルを得ることができるように、現在の技術に容易に組み込むことができることを強調すべきである。
MAS NMRは、固体材料の詳細な特性評価を可能にし、観測の質を強化しました。しかし、高い速度でNMRローター(サンプルホルダー)でサンプルを回転させる必要性はまた、関心のある条件に関連する可能性のある高温および圧力での実験を行う際に課題を課す。NMRローターに対して比較的過酷な条件下で材料を調べることが望ましい場合があります。多くの努力は正常に高温、高圧NMR4、5、6、7を行うために液体状態のNMR技術を適応させました。しかし、固体MAS NMRに使用される商用ローターキャップは、高圧でロータから排出され、機器に大きな損傷を与える可能性があります。このような効果は、サンプルホルダ内の圧力を大きく増加させる分解反応を調べることによって配合され得る。そのため、新しい設計は、効果的かつ安全にNMR実験を行う必要があります。例えば、ロータはMAS NMRで有効に使用するためにいくつかの資質、すなわち非磁性、軽量、耐久性、耐熱性、低NMRバックグラウンド材料、密封性、高強度、および耐薬品耐性に準拠する必要があります。ローターが耐えなければならない圧力は非常に大きい。ロータが(例えば、高圧ガス)内に含まれるサンプルの圧力に耐えなければならないだけでなく、装置の回転は、全システム圧力8、PT、方程式2によって独自の寄与を有する遠心力を与える: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61794/61794equ02.jpg"> RI とRO はそれぞれ内側および外側のロータ半径であり、ωは1秒あたりのラジアンの回転周波数、Ps はサンプル圧力である。
これらの懸念に対処するために多くの戦略が開発されました9.初期の例は、高い温度および圧力での拡張された、細かい制御操作には不十分であった13、12またはポリマー挿入物の炎密封管10、11、12に似ていた。 ローター設計の反復は、セラミックインサート8、15、16からのエポキシまたはサンプル体積減少の使用によって与えられる最大動作温度の限界に苦しんでいる。最近の技術は、商用ロータースリーブにシンプルなスナップイン機能を採用することでユニットの生産コストを削減しますが、17を操作できる条件に対する比較的少ない制御を提供しています。本明細書で採用されているデザインは、オールジルコニア、通り付けられたトップ18で粉砕された洞窟スタイルのロータースリーブです。キャップは、安全なシールを可能にするためにスレッド化されています。逆スレッディングは、サンプルの回転がジルコニアキャップを緩めることを防ぎ、Oリングはシール面を構成します。このローターデザインは図1と同様のローターとそれらを作るための指示に見える19特許を取得しました。このような戦略は、高い機械的強度、耐薬品性、および温度耐性を可能にします。
これらの設計は、少なくとも250°Cおよび100バールの温度および圧力に適しており、容易に利用できるNMRプローブ技術によって温度に制限される。特殊なサンプル調製装置と組み合わせると、炭素隔離、触媒、エネルギー貯蔵、およびバイオメディシン20として広範囲に及ぶ用途に採用されてきた真に強力な技術を表す。このような機器は、水などの不要な表面種を除去するために固体材料を退避する方法を含む。このステップでは、炉がしばしば使用されます。乾式ボックスは、通常、固体サンプルをNMRローターにロードするために使用されます。そこからローターは、ロータを露光装置に移し、ロータを密に制御された雰囲気下で開き、所望のガスまたは混合物をロータに積み込むことができます。このようなデバイスは図 2に示されています。

<table><tbody><tr><td>1) Preparation of Solids Samples</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gas maniforld</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gas Mass Flow Controllers</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum Pump</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tube Furnace</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Temperature Controller</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Thermocouple</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Quartz Tube</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isolation Valves</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Quartz Wool</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2) Loading solid samples into the rotor</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dry glove box</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>High-temperature, high-pressure NMR rotor</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sample funnel</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sample packing rod</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotor holder</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Analytical Balance</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microsyringe</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotor cap bit</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3) Addition of gases to the rotor</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>NMR loading chamber</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotor stage and appropriately sized inserts</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum Pump</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gas maniforld</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gas Mass Flow Controllers</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum Pump</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Heating Tape</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Temperature Controller</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Thermocouple</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Allen wrench</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Threaded rod</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wrenchs</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pressure Gauge</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>High-pressure syringe pump</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Liquid syringe pump</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>4) Conducting the NMR experiments</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MAS NMR probe</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>NMR spectrometer</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Computer to control the spectrometer</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

high-temperature and high-pressure in situ magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy

核磁気共鳴(NMR)分光法は、分子の構造と結合環境を理解する重要な技術です。関心のある化学プロセスに関連する条件下で材料を特徴付けるドライブが存在します。これに対処するために、高温高圧MAS NMR法は、圧力の範囲(真空から数百の棒)および温度(0°Cから250°Cをはるかに下回る)の範囲にわたって化学的相互作用を観察できるように開発されています。また、サンプルの化学的同一性は、固体、液体、および3つのガスまたは混合物から構成することができる。この方法には、Oリングを圧縮するためにスレッドキャップを使用して密封できるオールジルコニアNMRローター(MAS NMR用のサンプルホルダー)が組み込まれています。このローターは、優れた耐薬品性、温度適合性、低NMRバックグラウンドを示し、高圧に耐えることができます。これらの複合的な要因により、幅広いシステム組み合わせで利用することができ、炭素隔離、触媒、物質科学、地球化学、生物学などの多様な分野での使用が可能になります。この技術の柔軟性は、多くの分野の科学者にとって魅力的な選択肢です。

NMR分光器からの出力は熱力学的平衡に戻ってリラックスする励起されたスピンからの時間領域信号である自由誘導減衰(FID)の形をとる。このような FID は図 3のようになります。フーリエが時間領域から周波数領域に変換された場合(数式3でPPMに周波数変換し、それによって差分絶対周波数と基準をNMR分光計のキャリア周波数で割る)は、各ピークが固有の化学環境におけ?...

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High-Temperature and High-Pressure In situ Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

固体、液体、ガス、混合物の分子構造とダイナミクスは、多様な科学分野にとって重要な関心事です。高温高圧の高圧のMAS NMRは、厳しく管理された化学環境下で混合相系の成分の化学環境を検出することができます。

高温高圧 in situ マジックアングル回転核磁気共鳴分光法

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy represents an important technique to understand the structure and bonding environments of molecules. There ...

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Interpreting Nuclear Magnetic Resonance Spectra

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5.4K ビュー.  Pacific Northwest National Laboratory. 固体、液体、ガス、混合物の分子構造とダイナミクスは、多様な科学分野にとって重要な関心事です。高温高圧の高圧のMAS NMRは、厳しく管理された化学環境下で混合相系の成分の化学環境を検出することができます。

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Atomic Scale Structural Studies of Macromolecular Assemblies by Solid-state Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

Supramolecular protein assemblies play fundamental roles in biological processes ranging from host-pathogen interaction, viral infection to the propagation of neurodegenerative disorders. Such assemblies consist in multiple protein subunits organized in a non-covalent way to form large macromolecular objects that can execute a variety of cellular functions or cause detrimental consequences. Atomic insights into the assembly mechanisms and the functioning of those macromolecular assemblies remain often scarce since their inherent insolubility and non-crystallinity often drastically reduces the quality of the data obtained from most techniques used in structural biology, such as X-ray crystallography and solution Nuclear Magnetic Resonance (NMR). We here present magic-angle spinning solid-state NMR spectroscopy (SSNMR) as a powerful method to investigate structures of macromolecular assemblies at atomic resolution. SSNMR can reveal atomic details on the assembled complex without size and solubility limitations. The protocol presented here describes the essential steps from the production of 13C/15N isotope-labeled macromolecular protein assemblies to the acquisition of standard SSNMR spectra and their analysis and interpretation. As an example, we show the pipeline of a SSNMR structural analysis of a filamentous protein assembly.

Structures of supramolecular protein assemblies at atomic resolution are of high relevance because of their crucial roles in a variety of biological phenomena. Herein, we present a protocol to perform high-resolution structural studies on insoluble and non-crystalline macromolecular protein assemblies by magic-angle spinning solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (MAS SSNMR).

固体核磁気共鳴分光法による高分子アセンブリの原子スケール構造の研究

Supramolecular protein assemblies play fundamental roles in biological processes ranging from host-pathogen interaction, viral infection to the ...

生化学

High-Sensitivity Nuclear Magnetic Resonance at Giga-Pascal Pressures: A New Tool for Probing Electronic and Chemical Properties of Condensed Matter under Extreme Conditions

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their electronic properties. The application of high pressure enables one to synthesize new materials, but the response of known materials to high pressure is a very useful tool for studying their electronic structure and developing theories. For example, high-pressure synthesis might be at the origin of life; and understanding the behavior of small molecules under extreme pressure will tell us more about fundamental processes in our universe. It is no wonder that there has always been great interest in having NMR available at high pressures. Unfortunately, the desired pressures are often well into the Giga-Pascal (GPa) range and require special anvil cell devices where only very small, secluded volumes are available. This has restricted the use of NMR almost entirely in the past, and only recently, a new approach to high-sensitivity GPa NMR, which has a resonating micro-coil inside the sample chamber, was put forward. This approach enables us to achieve high sensitivity with experiments that bring the power of NMR to Giga-Pascal pressure condensed matter research. First applications, the detection of a topological electronic transition in ordinary aluminum metal and the closing of the pseudo-gap in high-temperature superconductivity, show the power of such an approach. Meanwhile, the range of achievable pressures was increased tremendously with a new generation of anvil cells (up to 10.1 GPa), that fit standard-bore NMR magnets. This approach might become a new, important tool for the investigation of many condensed matter systems, in chemistry, geochemistry, and in physics, since we can now watch structural changes with the eyes of a very versatile probe.

Nuclear magnetic resonance is one of the most important spectroscopic tools. Here, the development of a new approach under high pressure, currently up to 10.1 GPa, is presented. This opens a new window into condensed matter physics and chemistry, where high-pressure research is of great importance.

極限条件下で凝縮系の電子·化学的性質を探るための新しいツール：ギガパスカルの圧力で高感度核磁気共鳴

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their ...

工学

Dissolution Dynamic Nuclear Polarization Instrumentation for Real-time Enzymatic Reaction Rate Measurements by NMR

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of metabolic transformations. Hyperpolarization via dissolution DNP circumvents part of the sensitivity issues thanks to the large out-of-equilibrium nuclear magnetization stemming from the electron-to-nucleus spin polarization transfer. The high NMR signal obtained can be used to monitor chemical reactions in real time. The downside of hyperpolarized NMR resides in the limited time window available for signal acquisition, which is usually on the order of the nuclear spin longitudinal relaxation time constant, T1, or, in favorable cases, on the order of the relaxation time constant associated with the singlet-state of coupled nuclei, TLLS. Cellular uptake of endogenous molecules and metabolic rates can provide essential information on tumor development and drug response. Numerous previous hyperpolarized NMR studies have demonstrated the relevancy of pyruvate as a metabolic substrate for monitoring enzymatic activity in vivo. This work provides a detailed description of the experimental setup and methods required for the study of enzymatic reactions, in particular the pyruvate-to-lactate conversion rate in presence of lactate dehydrogenase (LDH), by hyperpolarized NMR.

The sensitivity enhancement provided by dissolution dynamic nuclear polarization (DNP) enables following metabolic processes in real time by NMR and MRI. The characteristics and performances of a dedicated dissolution DNP setup designed for study enzymatic reactions are discussed.

NMRによるリアルタイム酵素反応速度測定のための溶解動的核分極計装

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of ...

化学

Preparation of Fungal and Plant Materials for Structural Elucidation Using Dynamic Nuclear Polarization Solid-State NMR

This protocol shows how uniformly 13C, 15N-labeled fungal materials can be produced and how these soft materials should be proceeded for solid-state NMR and sensitivity-enhanced DNP experiments. The sample processing procedure of plant biomass is also detailed. This method allows the measurement of a series of 1D and 2D 13C-13C/15N correlations spectra, which enables high-resolution structural elucidation of complex biomaterials in their native state, with minimal perturbation. The isotope-labeling can be examined by quantifying the intensity in 1D spectra and the polarization transfer efficiency in 2D correlation spectra. The success of dynamic nuclear polarization (DNP) sample preparation can be evaluated by the sensitivity enhancement factor. Further experiments examining the structural aspects of the polysaccharides and proteins will lead to a model of the three-dimensional architecture. These methods can be modified and adapted to investigate a wide range of carbohydrate-rich materials, including the natural cell walls of plants, fungi, algae and bacteria, as well as synthesized or designed carbohydrate polymers and their complex with other molecules.

A protocol for preparing 13C,15N-labeled fungal and plant samples for multidimensional solid-state NMR spectroscopy and dynamic nuclear polarization (DNP) investigations is presented.

真菌の準備、動的核偏極固体 NMR を用いた構造解明のための植物素材

This protocol shows how uniformly 13C, 15N-labeled fungal materials can be produced and how these soft materials should be proceeded for solid-state NMR ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

Ex その場その場で調査構造変換の方法: 金属ガラスの結晶化の事例

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

High-Pressure NMR Experiments for Detecting Protein Low-Lying Conformational States

High-pressure is a well-known perturbation method that can be used to destabilize globular proteins and dissociate protein complexes in a reversible manner. Hydrostatic pressure drives thermodynamical equilibria toward the state(s) with the lower molar volume. Increasing pressure offers, therefore, the opportunities to finely tune the stability of globular proteins and the oligomerization equilibria of protein complexes. High-pressure NMR experiments allow a detailed characterization of the factors governing the stability of globular proteins, their folding mechanisms, and oligomerization mechanisms by combining the fine stability tuning ability of pressure perturbation and the site resolution offered by solution NMR spectroscopy. Here we present a protocol to probe the local folding stability of a protein via a set of 2D 1H-15N experiments recorded from 1 bar to 2.5 kbar. The steps required for the acquisition and analysis of such experiments are illustrated with data acquired on the RRM2 domain of hnRNPA1.

We provide a detailed description of the steps required to assemble a high-pressure cell, set up and record high-pressure NMR experiments, and finally analyze both peak intensity and chemical shift changes under pressure. These experiments can provide valuable insights into the folding pathways and structural stability of proteins.

低層構造状態のタンパク質検出のための高圧NMR実験

High-pressure is a well-known perturbation method that can be used to destabilize globular proteins and dissociate protein complexes in a reversible ...

High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy offers a unique access to probe the structure and dynamics of such proteins in biological membranes of increasing complexity. Here, we present modern solid-state NMR spectroscopy as a tool to study structure and dynamics of proteins in natural lipid membranes and at atomic scale. Such spectroscopic studies profit from the use of high-sensitivity ssNMR methods, i.e., proton-(1H)-detected ssNMR and DNP (Dynamic Nuclear Polarization) supported ssNMR. Using bacterial outer membrane beta-barrel protein BamA and the ion channel KcsA, we present methods to prepare isotope-labeled membrane proteins and to derive structural and motional information by ssNMR.

This work details robust basic routines on how to prepare isotope-labeled membrane protein samples and analyze them at high-resolution with modern solid-state NMR spectroscopy methods.

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy ...

<meta charset="utf8"></head><body>蛋白質の動力学の調査のNMR 15Nの緩和およびhetNOEの実験のためのプロトコル

NMR 15N Relaxation Experiments for the Investigation of Picosecond to Nanoseconds Structural Dynamics of Proteins

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy allows studying proteins in solution and under physiological temperatures. Frequently, either the amide groups of the protein backbone or the methyl groups in side chains are used as reporters of structural dynamics in proteins. A structural dynamics study of the protein backbone of globular proteins on 15N labeled and fully protonated samples usually works well for proteins with a molecular weight of up to 50 kDa. When side chain deuteration in combination with transverse relaxation optimized spectroscopy (TROSY) is applied, this limit can be extended up to 200 kDa for globular proteins and up to 1 MDa when the focus is on the side chains. When intrinsically disordered proteins (IDPs) or proteins with intrinsically disordered regions (IDRs) are investigated, these weight limitations do not apply but can go well beyond. The reason is that IDPs or IDRs, characterized by high internal flexibility, are frequently dynamically decoupled. Various NMR methods offer atomic-resolution insights into structural protein dynamics across a wide range of time scales, from picoseconds up to hours. Standard 15N relaxation measurements overview a protein&#39;s internal flexibility and characterize the protein backbone dynamics experienced on the fast pico- to nanosecond timescale. This article presents a hands-on protocol for setting up and recording NMR 15N R1, R2, and heteronuclear Overhauser effect (hetNOE) experiments. We show exemplary data and explain how to interpret them simply qualitatively before any more sophisticated analysis.

<meta charset="utf8"></head><body>著者スポットライト:NMR緩和実験による本質的に不規則なタンパク質ダイナミクスの探索

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy can characterize structural protein dynamics in a residue-specific manner. We provide a hands-on protocol for recording NMR 15N R1 and R2 relaxation and {1H}-15N heteronuclear Overhauser effect (hetNOE) experiments, sensitive to the picoseconds to nanoseconds timescale.

タンパク質のピコ秒からナノ秒の構造ダイナミクスを調べるためのNMR 15N緩和実験

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy allows studying proteins in solution and under physiological temperatures. Frequently, either the amide ...

高温高圧 in situ マジックアングル回転核磁気共鳴分光法

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High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

タンパク質のピコ秒からナノ秒の構造ダイナミクスを調べるためのNMR ¹⁵N緩和実験

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