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

Katalizör uygulamalarının gözden geçirilmesi, DE-AC05-RL01830 ve FWP-47319 sözleşmesi kapsamında ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Kimya Bilimleri Bölümü, Biyobilimler ve YerBilimleri Kataliz Programı tarafından desteklendi. Biyomedikal uygulamaların gözden geçirilmesi, Ulusal Sağlık Enstitüsü, Ulusal Çevre Sağlığı Bilimleri Enstitüsü tarafından R21ES029778 hibesi altında desteklendi. Deneyler, Biyolojik ve Çevresel Araştırmalar Ofisi tarafından desteklenen ve Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı'nda (PNNL) bulunan bir DOE Bilim Kullanıcı Tesisi Ofisi olan EMSL'de (grid.436923.9) gerçekleştirildi. PNNL, Battelle tarafından DE-AC05-RL01830 ve FWP-47319 sözleşmesi kapsamında ABD Enerji Bakanlığı için işletilen çok programlı bir ulusal laboratuvardır.

Protokol, 1) sistemde kullanılan katı malzemelerin hazırlanması veya istenmeyen adsorbe türlerin aktivasyonu veya temizlenmesi, 2) katı ve sıvı malzemelerin NMR rotoruna eklenmesi, 3) rotora gaz eklenmesi ve 4) spektrometrede NMR deneylerinin yapılması. Yordam tipik bir sırayı temsil eder, ancak denemenin özel gereksinimlerine uyacak şekilde değiştirilebilir.
1. Katı numunelerin önyekleniyor
<ol><li>NMR deneyi için istenen katı numunenin kütlesinin yaklaşık iki katını tartın (7,5 mm rotor, ~250 mg için) ve katı numuneyi bir fırın sistemindeki malzemelerin tedavisi için kullanılan bir kuvars numune tüpüne yerleştirin, tüpü malzemeyi yerinde tutmak için kuvars yünü ile takın.</li>
	<li>Boruyu soğuk fırına yerleştirerek ve bağlantıları sıkarak izolasyon vanalarını katı madde işleme 1) akış veya 2) vakum sistemine bağlayın.</li>
	<li>Kuvars boru uçlarını açık konumdaki gaz izolasyon vanalarına yapıştırın.</li>
	<li>Tedaviye başlayın.<ol>
<li>Akış sistemleri için:<ol>
<li>Tüpün dışına bir termokupl yapıştırın ve ısıya dayanıklı bir malzeme ile yerinde tutun.</li>
			<li>Katı yüzeyi temizlemek veya malzemeyi etkinleştirmek için arıtma gazının akışına başlayın (örneğin, 100 sccm'de N2).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Alternatif olarak, vakum sistemleri için:<ol>
<li>İzolasyon vanasını vakum sistemine kapatın ve vakum pompasını çalıştırın.</li>
			<li>Tam vakum kurulduğunda, numuneye vakum uygulamak için izolasyon vanasını yavaşça açın, sistemin dengede olmasını sağlamak için periyodik olarak duraklatın. Vana açılana kadar devam edin.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fırın kontrol cihazını açın ve sıcaklık rampası programını istediğiniz duruma ayarlayın (örneğin, 5 °C/dk rampa hızında 4 saat boyunca 300 °C).</li>
	<li>Sıcaklık programını başlatın ve çalışmasına izin verin.</li>
	<li>Tamamlandığında, numunenin çalışabilir bir sıcaklığa soğumasını bekleyin.</li>
	<li>Sıcaklık kontrol cihazını kapatın ve akışı/vakumlamayı durdurun.</li>
	<li>İstenilen numune ortamını korumak için numuneyi izolasyon vanaları ile hızlı bir şekilde kapatın.</li>
	<li>Kuvars tüpünü arıtma sisteminden çıkarın ve tüpleri ve kapalı vanaları kuru, N2temizlenmiş bir torpido gözünün antechamber'ına aktarın.</li>
	<li>Antechamber'ı en az 4 kez boşaltın ve yeniden doldurun ve tüpü torpido gözünün içine aktarın.</li>
</ol>2. Katı numunelerin NMR rotoruna yüklenmesi
<ol><li>Boş ve temiz yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıklı NMR rotorun rotor kapağını tartın.</li>
	<li>Yönlülüğü korumak için NMR rotoruna tutucuyu yerleştirin.</li>
	<li>Örnek huniyi rotorun deliğine yerleştirin.</li>
	<li>İzolasyon vanalarını numune tüpünden çıkarın ve huninin içine az miktarda katı malzeme dökün.</li>
	<li>Tozu huniye dokunun ve gerektiğinde ambalaj çubuğu ile rotora hafifçe yönlendirin.</li>
	<li>İstenilen miktar (örneğin, 1/2 rotor) elde edilene kadar katı malzemenin adım adım eklenmesini tekrarlayın.</li>
	<li>Eklenen numune miktarını belirlemek için NMR rotorunun (ve kapağının) içindeki örnekle tartın.</li>
	<li>İsterseniz, herhangi bir sıvı örneğinin belirli bir miktarını çizin ve sıvıyı yavaşça bir mikro şırınga ile NMR rotorunun ortasına enjekte edin.</li>
	<li>Rotoru, kapağı üste yerleştirerek ve rotor ve kapak arasındaki O-halkasını meşgul etmek için rotor kapağı biti ile saat yönünün tersine çevirerek mühürleyin. Özellikle kimyasal olarak aşındırıcı karışımlar veya hidrojen gibi küçük gazlar kullanıyorsanız, sızıntıyı önlemek için periyodik olarak yeni bir O halkası gerekebileceğini unutmayın.</li>
	<li>Eklenen numunenin toplam kütlesini belirlemek için NMR rotorunun ağırlığını belirleyin.</li>
</ol>3. NMR rotorun istenen koşullarda istenen kimyasallarla şarjılması
<ol><li>Kapalı NMR rotorunu rotor aşamasına yerleştirin, sahne kesici ucunun boyutunun rotor boyutuyla uyumlu olduğundan emin olun ve yerine sabitlemek için somunu elle sıkın. Bu adımda tutucudaki rotorun sıkılığının kapak contasının sıkılığını belirleyeceğini unutmayın.</li>
	<li>Rotor aşamasını yüksek basınçlı pozlama cihazının alt bölümüne 2007'de 2007'den buyun.</li>
	<li>Rotor aşamasını pozlama cihazının altına sabitlemek için vidalardan birini 90° döndürmek için bir Allen anahtarı kullanın.</li>
	<li>NMR yükleme cihazının üst bölümünü alt bölümün içine ve üstüne yerleştirin, NMR kapak bitini devreye girmesini sağlamak için NMR rotorunun kapak kafasının üstüne dizin.</li>
	<li>2 kelepçeyi, pozlama cihazının üst ve alt bölümlerinin birleştiği dudağın üstüne yerleştirin ve yerine mandallayın.</li>
	<li>Sızdırmazlık yüzeyini üst ve alt bölümler arasına sokmak için pozlama cihazının üst bölümünün üstündeki 6 cıvatayı sıkın.</li>
	<li>NMR pozlama cihazının üst bölümünü gaz hattı giriş ve çıkışlarına bağlayın.</li>
	<li>NMR pozlama cihazının üst kısmındaki termokuplü sıcaklık sensörüne bağlayın.</li>
	<li>İstenirse, ısıtma bandını gaz hatlarının etrafına ve maruz kalma cihazının üst bölümlerine sarın ve ilgili denetleyici ile ısıtmayı etkinleştirin. Sıcak bir tabak da devreye sokabilir.</li>
	<li>Pozlama odası çıkışının açık olduğundan ve kaynak gaz vanasının kapalı olduğundan emin olarak, pozlama cihazından ve ilgili hatlardan havayı çıkarmak için vakum pompasını açın.</li>
	<li>Hatların havadan temizlenmesini sağlamak için vakum ve atmosferik basınç arasında üç kez bisiklet süreerek, çizgileri istediğiniz gazla veya hareketsiz bir gazla temizleyin.</li>
	<li>İstenilen gaz bileşimini 1) yüksek basınçlı bir dağıtım sisteminden veya 2) belirli bir basınçta buharları tanıtmak için bir akış sisteminden hazırlayın.<ol>
<li>Yüksek basınçlı veya vakumlu numune hazırlama için:<ol>
<li>Pozlama cihazı gaz çıkışını kapatın ve gaz manifold vanalarını sıvı enjeksiyon hattını atlayacak şekilde ayarlayın.</li>
			<li>Yüksek basınçlı teslimat sisteminin yüksek basınçlı şırınna pompasına istediğiniz basıncı ayarlayın.</li>
			<li>Yüksek basınçlı şırınna pompasının gaz kaynağı vanalarını açın ve pompa üzerinde ayarlanan programı çalıştırarak pozlama cihazının içindeki gerçek basıncı takip edin.</li>
			<li>Pozlama cihazının içinde istenen basınç elde edildiğinde şırınna pompasını durdurun ve kaynak gaz vanalarını kapatın.</li>
			<li>İç NMR kapak ucuna bağlı harici vida mekanizmasını saat yönünde döndürerek NMR rotorun açılışını açın.</li>
			<li>İstenilen basıncın gazının NMR rotorasına girmesine ve dengeye girmesine izin verin.</li>
			<li>Harici vida mekanizmasını saat yönünün tersine döndürerek NMR rotorun yeniden görücüsesini yeniden takın. Bir görüntüleme penceresi, rotorun ne zaman kapatıldığını belirlemeye yardımcı olacaktır.</li>
			<li>Pozlama cihazı gaz çıkış vanasını açarak sistemin basıncını yavaşça düşürenin.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Akan gaz veya buhar numunesi hazırlığı için:<ol>
<li>Aşırı basıncı önlemek için maruz kalma cihazı gaz çıkışının açık olduğundan emin olun.</li>
			<li>Kütle akış kontrol ünitesinde istediğiniz gaz debisini ayarlayın ve gaz akışına başlayın.</li>
			<li>Sıvı besleme hattını sıvı şırınna pompasından gaz manifolduna bağlayın.</li>
			<li>Sıvı enjeksiyon hattına akışı sağlamak için gaz manifold vanalarını ayarlayın.</li>
			<li>İstenilen buhar basıncını elde etmek ve sıvı enjeksiyonuna başlamak için sıvı şırınna pompasının sıvı akış hızını ayarlayın.</li>
			<li>İç NMR kapak ucuna bağlı harici vida mekanizmasını saat yönünde döndürerek NMR rotorun açılışını açın.</li>
			<li>Sistemin NMR rotor içindeki istenen gaz basınçlarına dengeyi sağlamasına izin verin ve harici vida mekanizmasını saat yönünün tersine döndürerek NMR rotorun yeniden haline getirisini kesin. Bir görüntüleme penceresi, rotorun ne zaman kapatıldığını belirlemeye yardımcı olacaktır.</li>
			<li>Sıvı şırınd pompa enjeksiyonu durdurun ve pompayı sistemden ayırarak sıvı enjeksiyon hattını atlayacak şekilde vanaları yapılandırın.</li>
			<li>Akan gazı durdurun.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Potansiyel olarak zehirli veya yanıcı gazları temizlemek için sistemi inert bir gazla temizle.</li>
	<li>Herhangi bir ısıtmayı durdurun ve sistemin soğumasını bekleyin.</li>
	<li>Isıtma bandının ve termokuplenın bağlantısını kesin.</li>
	<li>Giriş ve çıkış gazı hatlarını çıkarın.</li>
	<li>Contayı tehlikeye atmak için pozlama cihazının üstündeki 6 cıvatayı gevşetin.</li>
	<li>2 sıkıştırma bölümünü çıkarın ve pozlama cihazından çıkarın.</li>
	<li>Üst bölümü dikkatlice yukarı ve alt bölümden kaldırın.</li>
	<li>Rotor aşamasını gevşetmek ve dişli çubukla çizmek için bir Allen anahtarı kullanın.</li>
	<li>Rotor aşamasında somunu gevşetin ve rotorunu cihaz bileşeninden çıkarın.</li>
	<li>İstenilen gaz miktarlarının mevcut olduğundan emin olmak için rotorun ağırlığını sür.</li>
</ol>4. MAS NMR deneyinin yürütülmesi
<ol><li>NMR rotorını NMR probundaki NMR bobinine yerleştirin.</li>
	<li>Sondayı mıknatıs deliğinin içine kaldırın ve yerine kilitleyin.</li>
	<li>MAS kontrol kutusunu kullanarak numune döndürmeyi başlatın ve istediğiniz rotor eğirme hızına ayarlayın.</li>
	<li>İstediğiniz kanalda ayarlama/eşleştirme sırasına başlamak için bilgisayarı kullanın.</li>
	<li>Prob elektroniği optimize etmek için probdaki ayarlama/eşleştirme ayarlarını yapın.</li>
	<li>Bilgisayardaki ayarlama/eşleştirme sırasından çıkın ve istediğiniz deneysel parametreleri (örneğin, darbe sırası, deney dizisi, sıcaklık vb.) ayarlayın.</li>
	<li>MAS NMR verilerini toplayın.</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. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Multiple-Quantum+Magic-Angle+Spinning+NMR+on+Half-Integer+Quadrupolar+Nuclei.">Fundamentals of Multiple-Quantum Magic-Angle Spinning NMR on Half-Integer Quadrupolar Nuclei.</a> Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance. 9, 262-274 (2002).</li><li>Khodov, I., Dyshin, A., Efimov, S., Ivlev, D., Kiselev, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure+NMR+spectroscopy+in+studies+of+the+conformational+composition+of+small+molecules+in+supercritical+carbon+dioxide.">High-pressure NMR spectroscopy in studies of the conformational composition of small molecules in supercritical carbon dioxide.</a> Journal of Molecular Liquids. 309, (2020).</li><li>Kolbe, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Pressure+in+situ+129Xe+NMR+Spectroscopy:+Insights+into+Switching+Mechanisms+of+Flexible+Metal-Organic+Frameworks+Isoreticular+to+DUT-49.">High-Pressure in situ 129Xe NMR Spectroscopy: Insights into Switching Mechanisms of Flexible Metal-Organic Frameworks Isoreticular to DUT-49.</a> Chemistry of Materials. 31 (16), 6193-6201 (2019).</li><li>Ochoa, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=(2)+H+and+(139)+La+NMR+Spectroscopy+in+Aqueous+Solutions+at+Geochemical+Pressures.">(2) H and (139) La NMR Spectroscopy in Aqueous Solutions at Geochemical Pressures.</a> Angewandte Chemie International Edition. 54 (51), 15444-15447 (2015).</li><li>Hoffmann, H. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure+in+situ+129Xe+NMR+spectroscopy+and+computer+simulations+of+breathing+transitions+in+the+metal-organic+framework+Ni2(2,6-ndc)2(dabco)+(DUT-8(Ni)).">High-pressure in situ 129Xe NMR spectroscopy and computer simulations of breathing transitions in the metal-organic framework Ni2(2,6-ndc)2(dabco) (DUT-8(Ni)).</a> Journal of the American Chemical Society. 133 (22), 8681-8690 (2011).</li><li>Turcu, R. V. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rotor+design+for+high+pressure+magic+angle+spinning+nuclear+magnetic+resonance.">Rotor design for high pressure magic angle spinning nuclear magnetic resonance.</a> Journal of Magnetic Resonance. 226, 64-69 (2013).</li><li>Jaegers, N. R., Hu, M. Y., Hoyt, D. W., Wang, Y., Hu, J. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+Application+of+In+situ+High-Temperature,+High-Pressure+Magic+Angle+Spinning+NMR.">Development and Application of In situ High-Temperature, High-Pressure Magic Angle Spinning NMR.</a> Modern Magnetic Resonance. , 1-19 (2017).</li><li>Miyoshi, T., Takegoshi, K., Terao, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=13C+High-Pressure+CPMAS+NMR+Characterization+of+the+Molecular+Motion+of+Polystyrene+Plasticized+by+CO2+Gas.">13C High-Pressure CPMAS NMR Characterization of the Molecular Motion of Polystyrene Plasticized by CO2 Gas.</a> Macromolecules. 30 (21), 6582-6585 (1997).</li><li>Miyoshi, T., Takegoshi, K., Terao, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=129Xe+n.m.r.+study+of+free+volume+and+phase+separation+of+the+polystyrene/poly(vinyl+methyl+ether)+blend.">129Xe n.m.r. study of free volume and phase separation of the polystyrene/poly(vinyl methyl ether) blend.</a> Polymer. 38 (21), 5475-5480 (1997).</li><li>Miyoshi, T., Takegoshi, K., Terao, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Xe+Gas+on+Segmental+Motion+in+a+Polymer+Blend+As+Studied+by+13C+and+129Xe+High-Pressure+MAS+NMR.">Effects of Xe Gas on Segmental Motion in a Polymer Blend As Studied by 13C and 129Xe High-Pressure MAS NMR.</a> Macromolecules. 35 (1), 151-154 (2002).</li><li>Yonker, C. R., Linehan, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+supercritical+fluids+as+solvents+for+NMR+spectroscopy.">The use of supercritical fluids as solvents for NMR spectroscopy.</a> Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 47 (1), 95-109 (2005).</li><li>Deuchande, T., Breton, O., Haedelt, J., Hughes, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+performance+of+a+high+pressure+insert+for+use+in+a+standard+magic+angle+spinning+NMR+probe.">Design and performance of a high pressure insert for use in a standard magic angle spinning NMR probe.</a> Journal of Magnetic Resonance. 183 (2), 178-182 (2006).</li><li>Hoyt, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure+magic+angle+spinning+nuclear+magnetic+resonance.">High-pressure magic angle spinning nuclear magnetic resonance.</a> Journal of Magnetic Resonance. 212 (2), 378-385 (2011).</li><li>Vjunov, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Following+Solid-Acid-Catalyzed+Reactions+by+MAS+NMR+Spectroscopy+in+Liquid+Phase-Zeolite-Catalyzed+Conversion+of+Cyclohexanol+in+Water.">Following Solid-Acid-Catalyzed Reactions by MAS NMR Spectroscopy in Liquid Phase-Zeolite-Catalyzed Conversion of Cyclohexanol in Water.</a> Angewandte Chemie International Edition. 53 (2), 479-482 (2014).</li><li>Chamas, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+temperature/pressure+MAS-NMR+for+the+study+of+dynamic+processes+in+mixed+phase+systems.">High temperature/pressure MAS-NMR for the study of dynamic processes in mixed phase systems.</a> Magnetic Resonance Imaging. 56, 37-44 (2019).</li><li>Hu, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sealed+rotors+for+in+situ+high+temperature+high+pressure+MAS+NMR.">Sealed rotors for in situ high temperature high pressure MAS NMR.</a> ChemComm. 51 (70), 13458-13461 (2015).</li><li>Hu, J. Z., Hu, M. Y., Townsend, M. R., Lercher, J. A., Peden, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure,+high-temperature+magic+angle+spinning+nuclear+magnetic+resonance+devices+and+processes+for+making+and+using+same.">High-pressure, high-temperature magic angle spinning nuclear magnetic resonance devices and processes for making and using same.</a> US patent. , (2015).</li><li>Jaegers, N. R., Mueller, K. T., Wang, Y., Hu, J. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Variable+Temperature+and+Pressure+Operando+MAS+NMR+for+Catalysis+Science+and+Related+Materials.">Variable Temperature and Pressure Operando MAS NMR for Catalysis Science and Related Materials.</a> Accounts of Chemical Research. 53 (3), 611-619 (2020).</li><li>Dagle, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-step+Conversion+of+Ethanol+to+n-butenes+over+Ag-ZrO2/SiO2+catalysts.">Single-step Conversion of Ethanol to n-butenes over Ag-ZrO2/SiO2 catalysts.</a> ACS Catalysis. 10 (18), 10602-10613 (2020).</li><li>Jaegers, N. R., Wang, Y., Hu, J. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+perturbation+of+NMR+properties+in+small+polar+and+non-polar+molecules.">Thermal perturbation of NMR properties in small polar and non-polar molecules.</a> Scientific Reports UK. 10 (1), 6097 (2020).</li><li>Jaegers, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Applications of In situ Magnetic Resonance Spectroscopy for Structural Analysis of Oxide-supported Catalysts. , (2019).</li><li>Mehta, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+high-temperature+MAS+probe+with+optimized+temperature+gradient+across+sample+rotor+for+in-situ+monitoring+of+high-temperature+high-pressure+chemical+reactions.">A novel high-temperature MAS probe with optimized temperature gradient across sample rotor for in-situ monitoring of high-temperature high-pressure chemical reactions.</a> Solid State Nuclear Magnetic Resonance. 102, 31-35 (2019).</li><li>Hu, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+large+sample+volume+magic+angle+spinning+nuclear+magnetic+resonance+probe+for+in+situ+investigations+with+constant+flow+of+reactants.">A large sample volume magic angle spinning nuclear magnetic resonance probe for in situ investigations with constant flow of reactants.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (7), 2137-2143 (2012).</li><li>Jiang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+MAS+NMR-UV/Vis+investigation+of+H-SAPO-34+catalysts+partially+coked+in+the+methanol-to-olefin+conversion+under+continuous-flow+conditions+and+of+their+regeneration.">In situ MAS NMR-UV/Vis investigation of H-SAPO-34 catalysts partially coked in the methanol-to-olefin conversion under continuous-flow conditions and of their regeneration.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 105 (1-2), 132-139 (2007).</li><li>Xu, S., Zhang, W., Liu, X., Han, X., Bao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+In+situ+Continuous-Flow+MAS+NMR+for+Reaction+Kinetics+in+the+Nanocages.">Enhanced In situ Continuous-Flow MAS NMR for Reaction Kinetics in the Nanocages.</a> Journal of the American Chemical Society. 131 (38), 13722-13727 (2009).</li><li>Graham, T. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+Al-27+NMR+Spectroscopy+of+Aluminate+in+Sodium+Hydroxide+Solutions+above+and+below+Saturation+with+Respect+to+Gibbsite.">In situ Al-27 NMR Spectroscopy of Aluminate in Sodium Hydroxide Solutions above and below Saturation with Respect to Gibbsite.</a> Inorganic Chemistry. 57 (19), 11864-11873 (2018).</li><li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Boehmite+and+Gibbsite+Nanoplates+for+the+Synthesis+of+Advanced+Alumina+Products.">Boehmite and Gibbsite Nanoplates for the Synthesis of Advanced Alumina Products.</a> ACS Applied Nano Materials. 1 (12), 7115-7128 (2018).</li><li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformation+of+Gibbsite+to+Boehmite+in+Caustic+Aqueous+Solution+at+Hydrothermal+Conditions.">Transformation of Gibbsite to Boehmite in Caustic Aqueous Solution at Hydrothermal Conditions.</a> Crystal Growth &amp; Design. 19 (10), 5557-5567 (2019).</li><li>Hu, J. Z., Jaegers, N. R., Hu, M. Y., Mueller, K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+and+ex+situ+NMR+for+battery+research.">In situ and ex situ NMR for battery research.</a> Journal of Physics: Condensed Matter. 30 (46), (2018).</li><li>Hu, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+and+Thermal+Decomposition+of+Electrolytes+on+Nanometer+Magnesium+Oxide:+An+in+situ+C-13+MAS+NMR+Study.">Adsorption and Thermal Decomposition of Electrolytes on Nanometer Magnesium Oxide: An in situ C-13 MAS NMR Study.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (42), 38689-38696 (2019).</li></ol>

Yazarlar aşağıdaki rakip finansal çıkarları beyan eder. J.Z.H ve meslektaşları rotor tasarımı (US9151813B2) hakkında bir patente sahiptir. J.Z.H., N.R.J., ve diğerleri maruz kalma cihazına geçici bir patent başvurusunda bulundular.

Burada özetlenen MAS NMR spektroskopik ölçümlerini yapma yöntemi, yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı MAS NMR'nin yürütülmesi için en son teknolojiyi temsil eder. Bu tür yöntemler, birkaç yüz bara kadar vakum atmosferlerinde ve düşük sıcaklıklardan (0 °C ila 250 °C'nin çok altında) gerçekleşen etkileşimlerin güvenilir, tekrarlanabilir bir şekilde gözlemlenmesine olanak tanır. Esnek kimyasal ortamlar altında katı, sıvı ve gaz karışımları içeren sistemleri araştırma yeteneği, ç...

Numunelerin spektroskopik analizi, kimyasal durum, yapı veya reaktivite gibi ilgi çekici malzemeler hakkında değerli bilgiler elde etmek için kullanılan analitik bir araçtır. Basit bir bakış açısıyla, nükleer manyetik rezonans (NMR), ilgi çekici türlerin kimyasal ortamını daha iyi anlamak için atom çekirdeklerinin spin durumunu manipüle etmek için güçlü bir manyetik alan kullanan böyle bir tekniktir. Nükleer dönüş durumu, pozitif yüklü bir parçacık olan dönen çekirdeğin hareketinin neden olduğu manyetik anın göreceli yönünü ifade eder. Manyetik bir alanın yokluğunda, nükleer dönüşler rastgele yönlendirilir, ancak manyetik bir alanın varlığında, nükleer dönüşler tercihen mıknatısın dış alanıyla düşük enerjili bir spin durumunda hizalanır. Spin durumlarının ayrık enerji değerlerine bölünmesi Zeeman etkisi olarak bilinir. Bu enerji seviyeleri (ΔE) arasındaki fark Denklem 1 ile modellenmiştir: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61794/61794equ01.jpg"> burada h Plank'ın sabitidir, B0 dış manyetik alanın gücüdür ve γ çekirdeğin kemromagnetik oranıdır. Bu spinlerin kimyasal ortamı da bu enerji seviyelerine hafif pertürbasyonlar uygular. Karşılık gelen frekanslardaki radyo dalgaları çekirdeği heyecanlandırmak için kullanılabilir, bu da uzunlamasına manyetizasyon (paralel ve paralel olmayan durumlardaki spinlerin popülasyonuna bağlı olarak) azaldıkça faz tutarlılığı kazanan spinler nedeniyle enine bir manyetizasyon oluşturur. Çekirdek manyetik alanın ekseni hakkında presleme devam ettikçe, dönen manyetik hareket aynı zamanda dönen ve bir elektrik alanı üreten bir manyetik alan oluşturur. Bu alan, NMR algılama bobinlerindeki elektronları modüle ederek NMR sinyalini oluşturur. Numunedeki çekirdeğin kimyasal ortamındaki küçük farklılıklar bobinde tespit edilen frekansları etkiler.
Katı numunelerin NMR analizi, sıvılarda bulunmayan karmaşıklıkları ortaya getirmektedir. Sıvılarda, moleküller hızlı bir şekilde yuvarlanır ve çekirdeklerin etrafındaki kimyasal ortamın ortalamasını haline toplar. Katı numunelerde, oryantasyona bağımlı bir kimyasal ortam ve NMR sinyalinde geniş spektral çizgiler sunan böyle bir ortalama etki oluşmaz. Bu zorlukları azaltmak için, sihirli açı eğirme (MAS) olarak bilinen bir teknikkullanılır 1,2. MAS NMR'de numuneler, NMR'nin oryantasyona bağlı (anizotropik) etkileşimlerini ele almak için harici bir eğirme mekanizması kullanılarak dış manyetik alana göre 54.7356° açıyla hızla döndürülür (birkaç kilohertz). Bu, NMR özelliklerini önemli ölçüde daraltır ve kimyasal kayma anizotropisi, dipolar etkileşimler ve dörtlü etkileşimlerin oryantasyona bağlı terimlerini ortalama alarak spektral çözünürlüğü geliştirir. İki önemli istisna, MAS NMR'nin çizgi daraltma yeteneklerini engeller. Birincisi, bazen çıkarmak için yüksek eğirme hızları (~70 kHz) gerektiren 1H NMR'de bulunan güçlü homonükleer kavramadır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklık uygulamalarının önemli ölçüde yüksek sıcaklıkları, önemli ölçüde geliştirilmiş spektral çözünürlük için çok daha düşük bir numune eğirme hızından yararlanılabilmesi için gelişmiş termal hareket vererek 1H homonükleer etkileşimi büyük ölçüde bastıracaktır. Ayrıca, teknolojinin sürekli olarak gelişmesiyle, 1H homonükleer dipolar etkileşimlerini daha da bastırmaya yardımcı olan 5 kHz'i aşan eğirme hızlarına ulaşmak için artık daha küçük çaplara sahip rotorlar üretilebilir. İkinci istisna, sadece ilk sipariş terimi sihirli açıda ortadan kaldırılacağından, sadece daha güçlü dış manyetik alanlar tarafından geliştirilebilen daha karmaşık çizgi şekilleri bıraktığından, çekirdekler için bir buçuku aşan spinli ikinci derece dörtlü etkileşimlerdir. 2D MQMAS tekniklerinin mevcut teknolojiye kolayca dahil edilebildiği vurgulanmalıdır, böylece gerçek bir izotropik kimyasal kayma spektrumu standart MQMAS deneylerine benzer şekilde elde edilebilir3.
MAS NMR, katı malzemelerin ayrıntılı karakterizasyonunu sağladı ve gözlemlerin kalitesini güçlendirdi. Bununla birlikte, numunelerin NMR rotorlarında (numune tutucu) yüksek oranlarda dönme zorunluluğu, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda deneylerin yapılmasında da zorluklar doğurur ve bu da ilgi koşullarıyla daha alakalı olabilir. Zaman zaman, NMR rotorları için nispeten sert koşullar altında malzemelerin incelenmesi istenebilir. Bir dizi çaba, sıvı hal NMR teknolojilerini yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı NMR4,5,6,7; bununla birlikte, katı hal MAS NMR için kullanılan ticari rotor kapakları yüksek basınçlarda rotordan atılabilir ve ekipmanda önemli hasara neden olabilir. Bu tür etkiler, numune tutucudaki basıncı büyük ölçüde artıran bir ayrışma reaksiyonun incelenmesiyle birleşebilir. Bu nedenle, yerinde NMR deneylerini etkili ve güvenli bir şekilde yapmak için yeni tasarımlar gereklidir. Örneğin, rotor MAS NMR'de etkili kullanım için manyetik olmayan, hafif, dayanıklı, sıcaklığa dayanıklı, düşük NMR arka plan malzemesi, sızdırmaz, yüksek mukavemetli ve kimyasal dayanıklı olmak üzere çeşitli niteliklere uymalıdır. Rotorun dayanmak zorunda olduğu basınçlar oldukça büyüktür. Rotor sadece içinde bulunan numunenin basıncına dayanmak zorunda değildir (örneğin, yüksek basınçlı gaz), cihazın dönüşü, toplam sistem basıncına kendi katkısı olan santrifüj kuvveti sağlar8, PT, denklem 2 ile: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61794/61794equ02.jpg"> RI ve RO sırasıyla iç ve dış rotor yarıçapıdır, ω saniyede radyan cinsinden dönme frekansıdır ve Ps örnek basınçtır.
Bu endişeleri gidermek için bir dizi strateji geliştirilmiştir9. İlk örnekler, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda uzunsüreli,ince kontrollü çalışma için yetersiz olan alevle kapatılmış10,11,12 veya polimer kesici uçlar 13,14'e benziyordu. Rotor tasarımlarına yapılan yinelemeler, seramik kesici uçlardan epoksi veya numune hacmi azaltmalarının sağladığı maksimum çalışma sıcaklığındaki sınırlamalardan muzdariptir8,15,16. Yeni bir teknoloji, ticari bir rotor manşonunda basit ek bileşen özellikleri kullanarak birim üretim maliyetlerini azaltır, ancak17çalıştırabileceği koşullar üzerinde nispeten daha az kontrol sağlar. Burada kullanılan tasarım, dişli bir üst18ile frezelenmiş tamamen zirkonya, mağara tarzı rotor manşonudur. Güvenli bir sızdırmazlık sağlamak için bir kapak da akıtılır. Ters diş açma, numune dönüşünün zirkonya kapağını gevşetmesini önler ve sızdırmazlık yüzeylerini bir O halkası oluşturur. Bu rotor tasarımı Şekil 1 ve benzeri rotorlarda görülebilir ve bunların patentli olması için talimatlar19. Böyle bir strateji yüksek mekanik mukavemet, kimyasal direnç ve sıcaklık toleransı sağlar.
Bu tasarımlar, en az 250 °C ve 100 bar'luk sıcaklıklar ve basınçlar için uygundur, sıcaklıkta hazır NMR prob teknolojisi ile sınırlıdır. Özel numune hazırlama ekipmanları ile birleştirildiğinde, karbon tecrit, kataliz, enerji depolama ve biyotıp20olarak geniş kapsamlı uygulamalar için kullanılan gerçekten güçlü bir tekniği temsil eder. Bu tür ekipmanlar, su gibi istenmeyen yüzey türlerini çıkarmak için katı malzemeleri ön işlemden çıkarmanın bir yolunu içerir. Bu adım için genellikle bir fırın kullanılır. Kuru bir kutu genellikle katı numuneleri NMR rotoruna yüklemek için kullanılır. Buradan rotor, rotoraya istenen gazı veya karışımı yüklemek için rotorun sıkı bir şekilde kontrol edilen bir atmosfer altında açılmasını sağlayan bir pozlama cihazına aktarılır. Böyle bir cihaz Şekil 2'de tasvir edilir.

<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

Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi moleküllerin yapısını ve bağlanma ortamlarını anlamak için önemli bir tekniği temsil eder. Kimyasal ilgi süreci ile ilgili koşullar altında malzemeleri karakterize etmek için bir tahrik vardır. Bunu gidermek için, bir dizi basınç (birkaç yüz bara vakum) ve sıcaklıklar (0 °C ila 250 ° C'nin çok altında) üzerindeki kimyasal etkileşimlerin gözlemlenmesine olanak sağlamak için yerinde yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı MAS NMR yöntemleri geliştirilmiştir. Ayrıca, numunelerin kimyasal kimliği katılar, sıvılar ve gazlardan veya üçünün karışımlarından bulunabilir. Yöntem, bir O-halkasını sıkıştırmak için dişli bir kapak kullanılarak kapatılabilen tüm zirkonya NMR rotorlarını (MAS NMR için numune tutucu) içerir. Bu rotor büyük kimyasal direnç, sıcaklık uyumluluğu, düşük NMR arka plan sergiler ve yüksek basınçlara dayanabilir. Bu kombine faktörler, karbon tecrit, kataliz, malzeme bilimi, jeokimya ve biyoloji gibi çeşitli alanlarda kullanılmasına izin veren çok çeşitli sistem kombinasyonlarında kullanılmasını sağlar. Bu tekniğin esnekliği, onu çok sayıda disiplinden bilim adamları için çekici bir seçenek haline getirir.

NMR spektrometresinden elde edilen çıkış, termodinamik dengeye geri dönerken heyecanlı spinlerden gelen zaman alanı sinyali olan serbest indüksiyon bozunması (FID) şeklini alır. Böyle bir FID benzer Şekil 3. Fourier zaman etki alanından frekans etki alanına dönüştüğünde (frekans denklem 3'e göre PPM'ye, böylece fark mutlak frekans ve referans NMR spektrometresinin taşıyıcı frekansına bölünür), her tepenin benzersiz bir kimyasal ortamda çekirdeği gösterdiği ...

Watch this Scientific Journal Video about High-Temperature and High-Pressure In situ Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at JoVE.com

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

Katıların, sıvıların, gazların ve karışımların moleküler yapıları ve dinamikleri çeşitli bilimsel alanlar için kritik öneme sahiptir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı yerinde MAS NMR, sıkı kontrol edilen kimyasal ortamlarda karışık fazlı sistemlerde bileşenlerin kimyasal ortamının tespitini sağlar.

Yüksek Sıcaklık ve Yüksek Basınç Yerinde Sihirli Açı Dönen Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi

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

high-temperature-high-pressure-situ-magic-angle-spinning-nuclear

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Analytical Chemistry

Chemistry

Unit 1

Interpreting Nuclear Magnetic Resonance Spectra

SCIENTISTS IN ACTION

5.4K Görüntüleme.  Pacific Northwest National Laboratory. Katıların, sıvıların, gazların ve karışımların moleküler yapıları ve dinamikleri çeşitli bilimsel alanlar için kritik öneme sahiptir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı yerinde MAS NMR, sıkı kontrol edilen kimyasal ortamlarda karışık fazlı sistemlerde bileşenlerin kimyasal ortamının tespitini sağlar.

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

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).

Atomik yapısal çalışmaların makromoleküllerin meclisleri tarafından katı hal Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi

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

Biyokimya

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.

Aşırı Koşullarında Yoğun Madde Elektronik ve Kimyasal Özellikler Probing için Yeni Bir Aracı: Giga Pascal Baskılara yüksek-Hassasiyet Nükleer Manyetik Rezonans

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

Mühendislik

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 ile Gerçek zamanlı enzimatik Reaksiyon Hızı Ölçümleri için çözünme Dinamik Nükleer Polarizasyon Aletler

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

Kimya

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.

Yapısal aydınlatma kullanarak dinamik nükleer polarizasyon Solid-State NMR için bitki malzeme ve mantar hazırlanması

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 Situ ve yapısal dönüşümleri in Situ soruşturma yöntemleri: Metalik gözlük kristalleşme olgusu

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.

Protein Düşük Yatan Konformasyon durumlarını tespit etmek için Yüksek Basınçlı NMR Deneyleri

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>Protein Dinamiği Çalışmasında NMR 15N Gevşeme ve hetNOE Deneyleri için Protokol

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>Yazar Spotlight: NMR Gevşeme Deneyleri ile İçsel Olarak Düzensiz Protein Dinamiklerini Keşfetmek

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.

NMR 15N Proteinlerin Pikosaniye ve Nanosaniye Yapısal Dinamiğinin İncelenmesi için Gevşeme Deneyleri

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

Yüksek Sıcaklık ve Yüksek Basınç Yerinde Sihirli Açı Dönen Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler

Atomik yapısal çalışmaların makromoleküllerin meclisleri tarafından katı hal Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi

Aşırı Koşullarında Yoğun Madde Elektronik ve Kimyasal Özellikler Probing için Yeni Bir Aracı: Giga Pascal Baskılara yüksek-Hassasiyet Nükleer Manyetik Rezonans

NMR ile Gerçek zamanlı enzimatik Reaksiyon Hızı Ölçümleri için çözünme Dinamik Nükleer Polarizasyon Aletler

Yapısal aydınlatma kullanarak dinamik nükleer polarizasyon Solid-State NMR için bitki malzeme ve mantar hazırlanması

Ex Situ ve yapısal dönüşümleri in Situ soruşturma yöntemleri: Metalik gözlük kristalleşme olgusu

Protein Düşük Yatan Konformasyon durumlarını tespit etmek için Yüksek Basınçlı NMR Deneyleri

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

NMR ¹⁵N Proteinlerin Pikosaniye ve Nanosaniye Yapısal Dinamiğinin İncelenmesi için Gevşeme Deneyleri

NMR ¹⁵N Proteinlerin Pikosaniye ve Nanosaniye Yapısal Dinamiğinin İncelenmesi için Gevşeme Deneyleri

NMR ¹⁵N Proteinlerin Pikosaniye ve Nanosaniye Yapısal Dinamiğinin İncelenmesi için Gevşeme Deneyleri