固體核磁共振技術(shù)應(yīng)用

1、固體核磁共振技術(shù)簡介

固體核磁共振技術(shù)（SSNMR，Solid State Nuclear Magnetic Resonance）是以固態(tài)樣品為研究對象的分析技術(shù)。將樣品分子視為一個整體，則可將固體核磁中探測到的相互作用分為兩大類：樣品內(nèi)部的相互作用及由外加環(huán)境施加于樣品的作用。前者主要是樣品內(nèi)在的電磁場在與外加電磁場相互作用時產(chǎn)生的多種相互作用力，這主要包括：化學(xué)環(huán)境的信息(分子中由于內(nèi)在電磁場屏蔽外磁場的強度、方向等)，分子內(nèi)與分子間偶極自旋偶合相互作用，對于自旋量子數(shù)＞1/2的四極核尚存在四極作用。外部環(huán)境施加于樣品的主要作用有：

1)由處于縱向豎直方向的外加靜磁場作用于特定的核磁活性的核上產(chǎn)生的塞曼相互作用(Zeeman interaction)，核子相對應(yīng)的頻率為拉莫爾頻率(Larcnor frequency)。

2)由處于x-y平面的振蕩射頻場產(chǎn)生的作用于待測樣品的擾動磁場。

固體核磁共振作為一種重要的譜學(xué)技術(shù)，非常適用于研究各類非晶固體材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為，能夠提供原子及分子水平的結(jié)構(gòu)信息。近年來，固體核磁技術(shù)已被被廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，如電池、催化、玻璃和膜蛋白等。接下來將從搜索到的文獻中挑選代表性工作，和大家一起分享固體核磁技術(shù)的應(yīng)用。

2、固體核磁共振技術(shù)應(yīng)用

2.1 固體核磁共振在電池上的應(yīng)用

近年來，幻角旋轉(zhuǎn)動態(tài)核極化(MAS-DNP)已發(fā)展成為提高固態(tài)核磁共振(ssNMR)光譜學(xué)靈敏度的一種極好的方法，從而能夠表征具有挑戰(zhàn)性的生物和化學(xué)體系。最常見的是，MAS-DNP是基于使用硝基化合物作為極化劑。在材料科學(xué)中，由于氮氧化物的使用通常將信號增強限制在材料的表面和次表面層，因此需要采用超極化方法提高表征本體粒子的靈敏度。最近，出現(xiàn)了一種以順磁性金屬離子形式存在的替代物。Tamar等人證明了作為MAS-DNP內(nèi)源性極化劑的Mn(II)摻雜劑在檢測O-17的天然豐度僅為0.038%方面的顯著效果^[1]。鑒定了在本體微米級晶體中的不同氧位置，包括電池正極材料Li₄Ti₅O₁₂ (LTO)和Li₂ZnTi₃O₈，以及磷材料NaCaPO₄和MgAl₂O₄，它們都摻雜了Mn(II)離子。利用密度泛函理論計算，將共振分配到特定的氧環(huán)境中。根據(jù)Mn(II)摻雜濃度得到了LTO中Li-6和Li-7核的顯著信號增強因子，分別為142和24。進一步跟蹤了Li-6、Li-7 LTO共振的變化，并確定了它們作為Mn(II)濃度的函數(shù)的增強因子。結(jié)果表明，順磁性金屬離子摻雜物的MAS-DNP為探測O-17等信息核提供了一種有效的方法，盡管它們的旋磁比很低，豐度可以忽略不計，且沒有同位素富集。

圖1.

在最優(yōu)場位置和穩(wěn)態(tài)條件下獲得的 (a) ⁷Li和 (b)⁶Li的MAS-DNP信號增強因子作為LTO中Mn濃度的函數(shù)。文中描述了不同的增強因子^[1]。

2.2 固體核磁共振在催化上的應(yīng)用

Hui等設(shè)計并制備了新型超酸SO₄H功能化離子液體（SFILs）^[2]。研究了SFILs在木聚糖水解和木糖脫水生產(chǎn)糠醛條件下的催化活性。結(jié)合固態(tài)³¹P MAS NMR表征的SFILs酸強度，表明SFILs的催化性能與SFILs的酸強度呈正相關(guān)。超強酸SFIL [Ch-SO₄H][CF₃SO₃]具有最佳的催化性能，糠醛收率達80%以上。在優(yōu)化條件下，它的催化性能也明顯優(yōu)于通常的SO₃H功能化酸性離子液體、礦物酸和酸性樹脂Amberlyst-15催化劑的催化活性。此外，超強酸SFIL [Ch-SO₄H][CF₃SO₃]易于分離，至少可以重復(fù)使用5次，催化性能無明顯降低。

圖2. 新型超酸SO₄H功能化離子液體催化木糖醇水解示意圖^[2]。

圖3. 探針分子三甲基氧化膦吸附在SFILs上的³¹P MAS NMR譜圖

(a) [Ch-SO₄H][CF₃SO₃], (b)[Ch-SO₄H][HSO₄], (c) [Ch-SO₄H][TsO]^[2]。

2.3固體核磁共振在玻璃上的應(yīng)用

Sangeeta等采用熔體淬火技術(shù)合成了各種玻璃成分的55[(Pb_xCa_1-x)·OTiO₂]-44[2SiO₂·B₂O₃]-1V₂O₅體系(0.0 <= x <= 0.7)^[3]。通過X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、紫外可見光譜(uv -visible)、掃描電子顯微鏡(SEM)和核磁共振光譜(NMR)對合成的玻璃進行了研究。隨著氧化鉛(PbO)濃度的增加，玻璃樣品的實驗密度從1.48 g/cm³增加到2.19 g/cm³。XRD結(jié)果與SEM觀察結(jié)果一致，證實了玻璃的非晶態(tài)性質(zhì)。紅外光譜和拉曼光譜分析表明，存在由V-O-V、Pb-O-B、B-O-B、Si-O-Si、B-O-Si和B-OH組成的各種化學(xué)鍵，它們是由不同的振動引起的。隨著PbO含量的增加，帶隙值從2.07 eV降至1.65 eV。Si-29和B-11魔角旋轉(zhuǎn)固態(tài)核磁共振譜分析表明，隨著玻璃態(tài)體系中PbO濃度的增加，硅酸鹽和硼酸鹽網(wǎng)絡(luò)中非橋聯(lián)氧的數(shù)量增加。

圖4.

在玻璃系統(tǒng)55[ (Pb_xCa_{1 -x})·OTiO_2]-44 [2SiO₂·B₂O₃]-1V₂O₅中，(a) CT1V0.0， (b) PCT1V0.1， (c) PCT1V0.3，(d)PCT1V0.5和(e)PCT1V0.7玻璃樣品的¹¹B MAS NMR譜圖，和(f)PbO的摻雜比例為x= 0，0.1，0.3，0.5和0.7時，B在四配位中的占比^[3]。

2.4 固體核磁共振在膜蛋白上的應(yīng)用

Daryl等合成了一種新型的動態(tài)核極化(DNP)核磁共振(NMR)極化劑TOSMTSL-PTE，它是一種具有雙底端端基的TOTAPOL的磷脂，用來增強脂質(zhì)重組整體膜蛋白質(zhì)變形菌視紫質(zhì)（PR）的固態(tài)核磁共振(SSNMR)信號^[4]。與傳統(tǒng)的將TOTAPOL分散在玻璃狀的甘油/水基質(zhì)中的制劑相比，DNP的無基質(zhì)PR制劑將核磁共振信號的絕對靈敏度提高了約4倍。在400MHz/263 GHz和600MHz/395 GHz下測量到的DNP增強表現(xiàn)出很強的場依賴性，但在兩個場中都保持中等，與用ToSMTSL共價修飾的PR所獲得的增強效果相當(dāng)。附加連續(xù)波(CW) x波段電子順磁共振(EPR)實驗表明，在溶液和脂質(zhì)雙分子層中ToSMTSL-PTE連接劑不利的構(gòu)象變化可能是DNP中度增強的原因之一。此外，差示掃描量熱法(DSC)和連續(xù)波EPR實驗表明，當(dāng)極化劑濃度增加到20mol %時，DMPC:DMPA雙分子層中ToSMTSL-PTE的分布不均勻，且/或可能部分聚集。因此，構(gòu)象的改變和脂質(zhì)雙分子層中脂質(zhì)雙分子的不均勻分布成為進一步開發(fā)這種無基質(zhì)的膜蛋白DNP方法的重要因素。

2.5 固體核磁共振在納米材料上的應(yīng)用

一個典型的膠體納米顆?？梢员豢醋魇且粋€納米晶體配體復(fù)合物，其核心是無機單晶，納米晶體與有機配體單層結(jié)合。納米晶體配體配合物的表面化學(xué)性質(zhì)對其本體性質(zhì)至關(guān)重要。然而，破譯非周期性和動態(tài)的有機-無機夾層的分子圖像是一項重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，這妨礙了對其宏觀現(xiàn)象的定量認(rèn)識。在此，孔等人在Nature Communications發(fā)表的工作，證明了通過綜合的固態(tài)核磁共振(SSNMR)方法可以精確地定量納米晶體表面的原子排列和配體與配體之間的相互作用^[5]。分析結(jié)果表明，正構(gòu)烷烴的混合配體在CdSe納米晶上的區(qū)域隔離和獨特的排列方式使它們的轉(zhuǎn)動自由度不受限制?；贜MR衍生配體配位動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型成功地預(yù)測了混合配體的納米配體配合物的異常溶解度，比純配體的納米配體配合物的溶解度高幾個數(shù)量級。

圖5. 通過混合長配體和短配體來提高溶解度。

圖中所示為納米晶體配體與多態(tài)純配體的配合物，或與多態(tài)與己酸鹽的混合配體的配合物。右邊:光學(xué)圖片顯示了在氯仿溶劑中納米配體與純配體和納米配體與混合配體的宏觀差異。該小瓶含有在0.8 mL氯仿中重量相等(0.25 g)的純化樣品。混合配體的納米晶體配體復(fù)合物完全分散，而純配體的納米晶體配體復(fù)合物沉淀。TEM測定納米晶核尺寸為3.0±0.2 nm^[5]。

圖6. ²H核磁共振譜線和彈性鏈。

a . 2 kHz魔角旋轉(zhuǎn)下亞甲單位的三種不同的動力學(xué)模式及相應(yīng)的²H NMR圖譜。這些動態(tài)模式可以在不同溫度或不同位置(如中間段或自由端)的烴鏈中出現(xiàn)。b. 純配體納米晶體配體配合物(f_He = 0)和混合配體納米晶體配體配合物(f_He = 0.68)的核磁共振譜圖。c根據(jù)²H反應(yīng)模式的反卷積，得到在不同溫度下亞甲柔韌性隨多態(tài)配體變化的直方圖。藍色、綠色和灰色的條分別代表靜態(tài)氘、tgg旋轉(zhuǎn)和錐擴散^[5]。

2.6 固體核磁共振在聚合物上的應(yīng)用

有機微污染物對全球的水資源構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)，特別是那些非生物所能降解的合成化學(xué)品。Huang等人通過使羧基衍生的柱[5]芳烴(P5) 和對苯二胺 (PPD) 交聯(lián)產(chǎn)生3D網(wǎng)絡(luò)聚合物 P5-P，以吸附和去除水中的有機微污染物^[6]。這種三維網(wǎng)絡(luò)聚合物隔離多種有機水體中的微量污染物，吸附速率快，吸收量大于傳統(tǒng)的活性炭。特別是，該聚合物表現(xiàn)出對熒光素鈉和甲基橙優(yōu)越的吸附性能，經(jīng)過多次溫和的清洗過程，它可以完全再生。通過固態(tài)核磁共振(NMR)實驗，闡明了該三維網(wǎng)絡(luò)聚合物的結(jié)構(gòu)及其吸附機理。良好的污染物去除能力表明

基于柱[5]芳烴的三維網(wǎng)狀聚合物在快速處理廢水的樂觀前景。

圖7.

(a)從P5和PPD之間的酰胺化反應(yīng)衍生的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，聚合物產(chǎn)物的照片，和P5-P三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的卡通圖片；(b)本文所研究的有機微污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)^[6]。

圖8.

(a)聚合物P5-P的熱重分析；(b)P5、PPD、聚合物P5-P的紅外光譜；(c) ¹³C核磁共振波譜及推斷聚合物P5-P的結(jié)構(gòu)；(d) EDC、PPD、P5和P5-P的¹³C CPMAS譜圖^[6]。

P5-P高而快速的吸附熒光素鈉和甲基橙的機理是由兩個方面引起的。首先，EDC基團和P5-P上的羧基之間可逆的氫鍵相互作用以及被吸附物上帶負(fù)電荷的基團使吸附速度快，吸附量大，方便回收利用。經(jīng)¹⁵N固態(tài)核磁共振證實，與PPD官能團相關(guān)的氮原子信號顯示上磁場位移，在P5-P上的EDC基團的氮原子信號在熒光素鈉吸附后變寬。熒光素鈉、甲基橙、已制備的聚合物P5-P和熒光素鈉或甲基橙吸附P5-P的固體¹³C-NMR譜表明，染料分子和聚合物P5-P的化學(xué)位移在吸附后無明顯變化。二是在交聯(lián)柱[5]芳烴上構(gòu)建了柔性可膨脹的聚合物基體，允許充分接觸所有的吸附位。熒光素鈉和甲基橙的吸附為物理吸附過程，主要依賴于污染物分子和P5-P之間的氫鍵相互作用。

2.7固體核磁共振在藥物上的應(yīng)用

Ango等對萘普生-煙酰胺2:1共晶的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行了表征^[7]。2∶1的共晶顯示萘普生能快速溶解，水蒸氣吸附量小，說明萘普生具有較好的藥用性能。用固態(tài)核磁共振(NMR)評價了獨特的2:1共晶形成過程。¹³C的化學(xué)位移顯示在不對稱共晶單元中存在兩種萘普生分子和一種煙酰胺分子。¹H的化學(xué)位移表明在共晶中萘普生的羧基是非離子化的，萘普生間的CH-π相互作用很強。從接觸時間為5 ms的¹H-¹³C CP-HETCOR NMR譜中，萘普生和煙酰胺之間存在羧酸-酰胺和羧酸-吡啶環(huán)兩種不同的合成子。支持固態(tài)核磁共振結(jié)果的單晶X射線分析，更詳細地闡明了幾何結(jié)構(gòu)和分子間的相互作用。藥物共晶的結(jié)構(gòu)獨特，歸因于兩種萘普生的每個羧基形成不同的分子間合成子。

圖9. ¹H-¹³C CP-HETCOR譜。

a：萘普生；b：萘普生-煙酰胺共晶化合物(contact time: 0.1ms)^[7]。

圖10. 從a軸角度觀察的萘普生-煙酰胺共晶的填充圖^[7]。

2.8 固體核磁共振在分子篩上的應(yīng)用

劉等利用一維及二維固體核磁共振結(jié)合多種表征技術(shù)研究了Silicalite-1 （MFI結(jié)構(gòu)）分子篩晶化過程^[8]。通過二維¹H 雙量子（DQ）-單量子（SQ） MAS NMR以及一維²H MAS NMR實驗發(fā)現(xiàn)[4¹5²6²]籠中與層間兩種SiO^-···HO-Si氫鍵結(jié)構(gòu)，其中層間氫鍵在分子篩的晶化過程中逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛\中氫鍵。這兩種氫鍵分別具有不同作用：籠中氫鍵對四丙基氫氧化銨導(dǎo)向劑(TPA+)起到空間電荷平衡的作用，在長程有序結(jié)構(gòu)還沒有形成時期，這種靜電相互作用是晶化過程中有機-無機復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)镸FI結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素；層間的Si O????H―OSi氫鍵起到了“連接器”的作用，能夠?qū)⒑铣审w系中的硅物種不斷的聚集在一起從而產(chǎn)生分子篩的骨架。此外，²H MAS NMR實驗表明，即使在分子篩的長程有序結(jié)構(gòu)(MFI結(jié)構(gòu))生成之后，在分子篩骨架上仍然會存在由于未完全聚合的硅物種而產(chǎn)生的Si―OH羥基巢缺陷位。

圖11. TPA+調(diào)控的無溶劑合成Silicalite-1 的可能晶化機理^[8]。

圖12. 合成的TPA-silicalite-1樣品在180℃加熱不同時間的²H MAS NMR譜圖

(a) 0h，(b) 5h，(c) 15h，(d) 16h，(e) 18h，(f) 20h^[8]。

3、小結(jié)

固體核磁技術(shù)研究的是各種核周圍不同的局域環(huán)境，即中短程相互作用，能夠提供豐富細致的結(jié)構(gòu)信息，既可做結(jié)晶度較高的固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析，也可用于結(jié)晶度低的固體物質(zhì)或非晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析；能夠反映出分子結(jié)構(gòu)中鍵長、鍵角、氫鍵的形成、分子內(nèi)及分子間的干擾作用等，與X射線衍射等研究固體長程相互作用整體結(jié)構(gòu)的方法形成補充。固體核磁技術(shù)日益成為電池、催化、玻璃、膜蛋白、納米材料、聚合物、藥物等領(lǐng)域的重要表征角色。動態(tài)核極化（DNP）的發(fā)展也為NMR技術(shù)提供了新機遇。充分利用固體NMR技術(shù)的價值，能推動相關(guān)領(lǐng)域往更高水平發(fā)展。

參考文獻：

[1] Endogenous Dynamic Nuclear Polarization for NaturalAbundance 17O and Lithium NMR in the Bulk of Inorganic Solids； Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript ；

[2] Efficient Hydrolysis of Hemicellulose to Furfural by Novel Superacid SO₄HFunctionalized Ionic Liquids；DOI: 10.1016/j.gee.2018.06.002;

[3] Structural, optical, and nuclear magnetic resonance studies of V₂O₅-doped leadcalcium titanate borosilicate glasses; DOI: 10.1016/j.jpcs.2018.10.030；

[4] A biradical-tagged phospholipid as a polarizing agent for solid-state MASDynamic Nuclear Polarization NMR of membrane proteins; DOI: 10.1016/j.ssnmr.2019.04.003；

[5] Partitioning surface ligands on nanocrystals for maximal solubility, DOI：1038/s41467-019-10389-5；

[6] Pillar[5]arene-based 3D network polymer for rapid removal of organic micropollutants from water；DOI: 10.1039/C7TA08894A;

[7] Physicochemical characterization and structural evaluation of a specific 2:1 cocrystal of naproxen-nicotinamide；DOI：1002/jps.23158；

[8] Hydrogen-Bond Induced Crystallization of Silicalite-1Zeolite asRevealed by Solid-State NMR Spectroscopy；DOI：3866/PKU.WHXB201905035。

以上是固體核磁共振技術(shù)應(yīng)用的詳細介紹，更多測試需求請聯(lián)系鑠思百檢測工程師。