超高磁场(1GHz)高解析度固态NMR

1、CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI) Mar. 2001 Vol. 59, No.1, pp. 123126專題報導超高磁場（ 1GHz ）高解析度固態NMR諸柏仁國立中央大學化學系摘要:超高磁場的不穩及不均勻性限制高解析度 NMR 的進展。本文淺論幾可能的解決方法，並以零量子光譜方法解除磁場不穩及不均勻的限制加以說明。最末提出幾個可能在超高磁場下能獲益的磁共振研究課題。諸柏仁1980年台灣大學化學系畢業，1987 年獲美國愛荷華州立大學物理化學博士，於1988年進入德州農工大學化學系任教，1991 年至飛利普石油公司任職研究Metallocen

2、e 高分子， 1993 年回國立中央大學執教。研究興趣在固態核磁共振方法的開發應用，以及新型光電性能高分子的合成及物性研究。NMR 最主要的貢獻是由不同磁自旋作用力由譜線型分析瞭解材料內的電子能態和原子分子動力行為。在光電性能高分子的研究上發現超高離子導體及高度光學效能的環狀聚烯(COC) 。目前有 11 項中、美及世界專利，超過50 篇文獻發表在國際知名期刊上。E-mail ： .tw背景高磁場下的磁共振光譜，展現高解析、高敏度及高化學位移分辨等優點 。這對於研究複雜的分子系統的結構和分子動力 NMR 將作出諸多重大的貢獻。此外頗多的物理現象只能在強磁場下

3、觀察 ，闢如磁場誘導的分子排列，相轉變等。四極矩原子核作用在高磁場下的微擾減少使光譜更具指標性 。近年來由於新的超導材料的開發，上臨界場（ HC2）逐漸提高 1。目前商用核磁共振儀的最高磁場強為 21Testa（質子頻率 900MHz ）。預估在短期內欲獲得超過 23T 的穩定超導體磁場 ，在磁場的構建技術上必須使用創新的超導材料配合新的磁場的設Echo spertroscopy） 3,4124計。非超導磁場雖可以達到更高的場強 ，但磁場的穩定性及空間的均勻性均不能滿足一般用戶高解析核磁共振研究的要求。目前採用Resistive（電磁線圈）或使用與超導線圈混和的磁場系統的已達成較前述單獨使用電

4、磁超導材料更高的磁場強度。例如美國高磁場實驗 (NHMFL) 已組裝了 25T 的線圈磁場以及 45T 的電磁 -超導混合磁場系統。但對高解析核磁共振而言，通常所需的磁場穩定度為 1ppb 而均勻度為 1ppb/cm 3，而上述高場磁鐵與之相差近千倍 。再者此類系統須消耗巨大的電能 (10-40MW) ，配備高流量的水冷卻系統為一般用戶均望塵莫及。依賴磁場工程技術的改進這些磁場，使之廣泛運用在短時間內似乎不太可能 。故最近有學者提出的使用零量子磁共振脈衝觀念可以有效的解決超高磁場現存穩定性和均勻性的缺點。在穩定的超高磁場出現前，零量子實驗可以多少克服超高磁場（ 1GHz ）NMR實驗的問題 。

5、但當然最理想的狀況還是在穩定且均勻的超導高磁場下執行高解析實驗。(參考下文：超高磁場設計 )由脈衝方法解決均勻性以下將簡介這些可能的多脈衝方法並針對對零量子實驗的成果略加說明：一 般 自 旋 共 鳴 （ Spin-Echo ） 的 脈 衝 序 列 （ 如 Carr-purcell ） 廣 泛 的 使 用 在 消 除 非 均 勻 性 致 寬 (Inhomogeneous Broadening) 因素，但這種方式亦同時消除化學位移及耦合資訊 。雖然可使用數值計算方法糾正磁場的不均勻及飄移現象 ，但其複雜性及降低靈敏度的代價使高場下的 NMR 實驗打折扣並不恰當 2。對於高度偶合的系統，多量子NMR

6、 是另一個可嚐試的方式。例如TSCTES （ Total spin Coherence Tranfer使用最高及最低階之間的多量子躍遷避免了磁場不均勻性，並保有了J-Coupling 及化學位移的訊息。另一方面多重耦合系中，零量子的轉換（如 總量子數變化為零）是不受磁場強度的影響的4 。但是未耦合的單一自旋子並不具零量子效率，而零量子光譜的化學為移等重要訊息亦須經由相當複雜的密度矩陣模擬參考所有實驗參數方能獲得 。對一般使用者而言獲取重要結果代價太高 ，雖可行但不是最有效途徑。最近普林斯敦的研究群Warren 發展了使用分子間零量子 (Intermolecular Zero Quantum C

7、oherence， iZQC)中華民國九十年第五十九卷第一期5,6 方法藉由分子與溶液分子間長距離雙距偶合(DistantDipolarCoupling)使用多脈衝程式成功的在1GHz 場強下獲得高解析NMR 光譜 7 。在液體中分子運動有效的平均了雙極偶合作用。這在核磁共振的時規(time scale) 中自我滲透平均距離內 （ 10 m，依）是正確的。若在一個球形對稱的偶合場中，更長距離的偶合雙極距的向量總和亦為零，故不產生影響力。但在施加梯度磁場 (Gradient) 時，長距離偶合場不再為球形對稱，長距離偶合效應將顯現。雖然偶極作用與距離成立方反比，長距離下每一對作用只貢獻約10-11

8、Hz，但涵蓋的空間體積中的自旋數目亦增加，導致整體長距離偶合效應可接近 10Hz 的效果 。如果梯度場在 10-100 m 的尺度中仍為均勻的 ，則獲致的 iZQC 的光譜則相當於分子的單量子光譜，加上溶劑的化學位移及長距離偶合效應。也就是說待測分子的化學位移和J-偶合作用均能保存，其結果並且不受到磁場不均勻性及不穩定性的影響。自然其成功的關鍵在於如何以恰當的脈衝序列，獲致零量子光譜。在圖一中所示的脈衝序列，兩個90 0 的脈衝在多重自旋 (Multiple spin) 中建立非熱力學的分佈 。接著梯度場 GT 經過相差消滅 (Dephaseing) ，過濾其他的多量子（偶數）躍遷而只餘下零量

9、子的轉換。在 t1 的時序中，則展現了分子 (S) 與溶劑 (I) 間零量子的成長演化 。此時分子間（ S,S）溶劑間 (I,I) 零量子效應並無變化。最末的四個脈衝則將此成長演化轉換成可觀測的單量子躍遷 。這一部份的原理和多 量子演化 的 觀測原則是相 同的。（見MQMAS一文）Fi r st 1 G H z, H i gh-R esolu tion NM R Spectr um圖一 （左）實驗及（右）模擬的iZQC 光譜，使用圖中的脈衝序列。其中2QIS 的吸收放大在方格中。 /2脈衝寬度 15s，化學位移，水 0ppm，丙酮 2.2ppm，T=0.25ms，n=60，GT=10Guss.

10、ms/cm，T1=3.05s ，T2=2.10s 。中華民國九十年第五十九卷第一期本圖感謝ProncetonUniversity林永雅博士及W.S10Warren 教授提供。圖一中使用美國國家高磁場研究室(NHMFL) ，磁場(25T ，1.06GHz) 所獲取的光譜。如圖左方實驗光譜所示在 F 2（單量子）方向每一吸收的線寬至少在3 個 ppm以上 (3KHz) 。解析度是無法為一般實驗能接受的。但在 F1 ( 零量子iZQC) 方向此吸收的解析度增加至0.03ppm(=3KHz) 。右方為數值模擬的結果（模擬的詳細過程請參考文獻8），與不同的零量子的光譜十分吻合。使用的模擬參數為水滲透常數

11、D 210-5 cm2 /s，磁場不均勻性 1ppm/cm ，磁場漂移以 0.5ppm 半寬的高斯分佈代表並以 1KH 為上限。這個結果對高解析實驗在高磁場下能承受的磁場穩定及均勻性提出指標性的數據。超高磁場的磁共振研究近年來結合固態及液態NMR方法的研究逐次增多，例如在溶液中形成凝膠或未能完全展開直鏈的高分子及形成 Globular 的蛋白質其溶解的部分 (窄吸收 )及未溶解的部分 ( 寬吸收 )重疊使觀測不完全理想，而只依據高解析部分提供的資訊常生誤導 9 。但結合魔角旋轉 (High Resolution MAS ， )，這些膠態系統中則呈現高度解析的結果，有利於作進一步的分析結合HR-

12、MAS方法與高磁場的實驗亦可以可以大幅消除磁場不均性及膠態系統空間異性的干擾，獲致極優良的分子結構動力訊息。這對於巨分子或高分子量的蛋白質的結構動力研究開啟了另一扇有效的研究途徑，極令人興奮及期待的。依估計在 1GHz 下分子量在 1MD之內的生物分子或高聚物，均能順利獲得解決。高分子量的生物分子在液體中雖造成黏滯性增加，導致解析度降低的困擾，但這可結合魔角旋轉加以排除。由於四極矩作用與磁場成反比，而元素中超過80%為四極矩核種 。材料研究之中所有涉及四極核種的研究均將因高磁場而受益。再配合高場下的靈敏度，週期表未能以傳統 NMR 研究的核種在高場下則即為可行。高磁場 NMR 將帶給材料研究方

13、法上革命性的突破。由於四極矩提供核成變的電場梯度的豐富資訊，其成果之巨將無法估計。分 子 本 身 具 有 極 小 的 方 向 性 Magnetic Sunceptibility ，在磁場誘導下，分子可以展現規則排列的現象， 9 其作用與液晶相似。高磁場強度放大了這種125排列的現象，可能在固體中誘發相轉變的行為。這些物理和其衍生的可能光電性質變異，十足令人期待。以上不過是幾個生化及材料領域可能有突破性的研究，新的脈衝序列，高維 NMR ，探頭設計均受到高場的出現刺激新的發展。謝誌本文承普林斯敦 (Princeton) 大學教授林永雅博士及 Warrer 教授協助提供 1GHz NMR 光譜。與

14、中研院化學所甘魯生教授對超高磁場的討論獲益良多一并感謝。結論高溫超導材料的發展有助於超高磁場的構建。顯然的，為配合高磁場的發展，高頻微波設備，訊號傳送方式，機械強度足夠的探頭，以及相關的電子零件，均需積極朝著這個方向發展。依此進展，以超過1GHz 磁場強度的超導NMR 系統作生化，醫學，及材料的尖端研究，將不會太遙遠。國內研究學者必需掌握這一契機不致在這方面發展中缺席。參考文獻1. Kuhns, P. L.; Kleinhammes, A.; Moulton, W. G.; Sullivan, N. S. J. Magn. Reson. A 1995, 115, 270.2. Morris,

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