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1 第 54 回 NMR 討論論会 チュートリアルコース NMR 教科書のここがよく分からない ご静聴をどうもありがとうございました これが当 日の講演で使わせていただきましたスライドです どうぞよろしくお願いいたします 平成 27 年年 月 5 日 3:00~ 4:30 千葉葉 工業 大学津 田沼キャンパス 4 号館 43 講義室 ( 横浜市 立立 大学 ) 池上貴久

2 フーリエ変換とは? 初学者は講義や教科書を通して NMR を学んでいきますが そこに書かれた何気ない記述でつまづいてしまうことが多いです 例例えば 溶液 NMR では 分 子の回転拡散によりこのような dipolar 相互作 用が平均化されて ピークがシャープになる などの記述です 拡散がなぜ回転するの? 平均化とは? なぜシャープになるの?product- operator のプロダクト ( 直積 ) って何? このような疑問が学習の進 行行をそこで妨げているかもしれません 一 方 熟練者の中にも 分からないままに放置して 長い時を経てしまい ある時に逆に初 心者から尋ねられてドキッとする 方がいるかもしれません あるいは (3*cos 2 (Θ)- ) を積分したら0になるでしょ のような説明で済ましてしまっているかもしれません 今回はこのようなよく分からない教科書の記述を何点か採り上げ これらをいつものように図で理理解することを 目指したいと思います

3 ( 前略略 ) 分 子の熱運動が 大きければ当然核間の双極 子双極 子相互作 用は平均化され 線幅の減少をもたらすことになる 核磁気共鳴の基礎と原理理 ( 北北丸 竜三著 ) 共 立立出版 p. 35

4 重 力力 ( 万有引 力力の法則 ): 距離離の逆 2 乗 静電気 力力に関するクーロンの法則 : 距離離の逆 2 乗 F = G M m r 2 F = q q 2 4πε 0 r 2 磁気双極 子間相互作 用 : 距離離の逆 3 乗 πr 2 F = Q m q m 4πµ 0 r 2 もし モノポール ( 単極 子 ) があれば

5 双曲 子双曲 子相互作 用のハミルトニアン H d = γ Iγ S 2 r 3 A = I Z S Z ( 3cos 2 θ) ( A + B + C + D + E + F) B = ( 4 I + S + I S + )( 3cos 2 θ) C = 3 ( 2 I + S Z + I Z S + )sinθ cosθ exp( iϕ ) D = 3 ( 2 I S Z + I Z S )sinθ cosθ exp ( +iϕ ) E = 3 4 I + S + sin 2 θ exp( 2iϕ ) F = 3 4 I S sin 2 θ exp ( +2iϕ ) H d = γ Iγ S! 2 r 3 # $!!!! I S 3 ( I er )( S! e! ) r % & 磁気双極 子間相互作 用 : 距離離の逆 3 乗に 比例例

6 H スピンが α 状態のときの 3 C スペクトル B 0 3 Cx Hα- 3 Cβ H α ω 3C Hα- 3 Cα Hα- 3 Cβ H α 3 Cx Hα- 3 Cα ω 3C

7 H スピンが β 状態のときの 3 C スペクトル B 0 3 Cx Hβ- 3 Cβ H β Hβ- 3 Cα ω 3C Hβ- 3 Cβ H β Hβ- 3 Cα 3 Cx ω 3C

8 双極 子双極 子相互作 用 Dipole- dipole coupling B 0 3 Cx Hβ- 3 Cβ H α H β Hα- 3 Cβ H α Hβ- 3 Cα ω 3C Hα- 3 Cα Hβ- 3 Cβ H β H α Hα- 3 Cβ H α Hβ- 3 Cα 3 Cx Hα- 3 Cα ω 3C 分 子の回転運動により 大きな分裂裂が平均化される

9 分 子の回転運動の速さの分布 J( ω) = τ c + ω 2 τ c 2 高分 子 中分 子 分 子が 大きくなるほど回転運動が遅くなり分裂裂が平均化されにくくなる 低分 子 ω 0 遅い回転 横緩和 ω 0 で回転 縦緩和 低分 子 遅い 遅い 高分 子 速い 遅い

10 核磁気共鳴の基礎と原理理 ( 北北丸 竜三著 ) 共 立立出版 p. 35 ( 前略略 ) 分 子の熱運動が 大きければ当然核間の双極 子双極 子相互作 用は平均化され 線幅の減少をもたらすことになる では うまく 平均化 できなかった場合にはどうなるのかな? 残余双極 子間相互作 用 という単語は いかにも双極 子間相互作 用が平均化されきれず ちょっと消え残ったかのように聞こえる

11 "These motions are, however, not completely free as in a normal isotropic liquid, but restricted by the surrounding structure of the liquid crystal. The degree of ordering that results for the solute is relatively low, but it is sufficient to induce dipole-dipole coupling between protons when the n.m.r. spectrum of a compound is measured in such an anisotropic environment. Intermolecular interactions, on the other hand, are precluded as before because of the diffusion of the solute molecules through the solvent. They are encountered only in true solids. The dipolar interaction between the nuclear spins leads now to an additional line splitting in the spectrum."( 残余双極 子相互作 用 ) 原著 Kernresonanz-Spektroskopie von paramagnetischen Stoffen in NMR- Spektroscopie: Grundlagen, Konzepte und Anwendungen der Protonen und Kohlenstoff-3 Kernresonanz-Spektroscopie in der Chemie. by Harald Günther (Georg Thieme Verlag Stuttgart 992 & Wiley 995)

12 ほんのちょっとだけ残る dipolar coupling B 0 3 C 分 子が配向していない時 dθ θ H 2π sinθ (3cos 2 θ )(sinθ ) dθ = 0 Hα Hβ 積分値が 0 となり RDC は観えない Ω 3C 分 子が配向している時 θ 2 (3cos θ )(sinθ ) dθ 0 H 積分値が 0 とはならず RDC が観える Hβ Hα Ω 3C

13 静磁場中での液晶の配向 CHAPSO bicelle 50 Å B Å

14 B 0 双極 子双極 子相互作 用 H 5 N 異異 方的溶媒 ( 配向 ) 等 方的溶媒 x J AB +D AB J AB 5 N 化学シフト値 (ppm) H 化学シフト値 (ppm)

15 { 99.95% 溶液 % 固体 } NMR Iα Iβ 分 子が 止まっている時 00% 配向 例例 : H- 3 C 46,000 Hz 分 子が静磁場 方向に対してほんの少しだけ配向している時 0.05% 配向 例例 : H- 3 C 23 Hz 分 子が静磁場 方向とは無関係に均等に回っている時 0% 配向 例例 : H- 3 C 0 Hz

16 双曲 子双曲 子相互作 用のハミルトニアン H d = γ Iγ S 2 r 3 A = I Z S Z ( 3cos 2 θ) ( A + B + C + D + E + F) 異異種核 B = ( 4 I + S + I S + )( 3cos 2 θ) 同種核 同種核 同種核の split =.5 * 異異種核の split RDC: ピーク位置 C = 3 ( 2 I + S Z + I Z S + )sinθ cosθ exp( iϕ ) D = 3 ( 2 I S Z + I Z S )sinθ cosθ exp ( +iϕ ) 横緩和 : ピークの線幅 E = 3 4 I + S + sin 2 θ exp( 2iϕ ) F = 3 4 I S sin 2 θ exp ( +2iϕ )

17 I の z 成分が S の ( 位置での )z 成分におよぼす項 I の z 成分が S の ( 位置での )x,y 成分におよぼす項 I の x,y 成分が S の ( 位置での )z 成分におよぼす項 I の x,y 成分が S の ( 位置での )x,y 成分におよぼす項 p. 57 磁気共鳴 NMR 核スピンの分光学 - ( 竹腰清乃理理著 ) B 0 RDC のようにピークの共鳴位置を論論じる時は 局所磁場の B o 方向成分のみ有効 Sx Iβ Iα Iα Ωs

18 相互作 用の主軸が magic- 角に固定されている時 3 Cx (,, ) H α 3cos 2 ( ) = 0 (0, 0, 0) 相互作 用の主軸が 360 度度まんべんなく動いている時 (3cos 2 θ )(sinθ ) dθ = 0 相互作 用の主軸を magic- 角を軸に回した時

19 溶液 NMR の緩和機構でもう 一つ教科書によく出てくるのが 化学シフトの異異 方性... そういえば 残余化学シフト異異 方性 RCSA というのもあったような これも (3cos 2 θ- ) に取り憑かれていたかも

20 B 0 化学シフトの異異 方性 Chemical- shift- anisotropy Hβ- 3 Cβ σ ZZ 3 C Hα- 3 Cβ σ XX ( θ = 90) Hβ- 3 Cα Ω 3C Hα- 3 Cα B 0 ββ σ XX 3 C αβ βα σ ZZ ( θ = 0) αα Ω 3C

21 CSA による横緩和は 静磁場の 二乗で速くなる 横緩和速度 R2CSA (/sec) τc (ns) 磁場強度 (MHz) 回転相関時間 CSA 2 R (σ σ ) = II J (ω ) = 2 8 γ I2 B02 {4J (0) + 3J (ω I )} 2 τc 5 + ω 2τ c2 Trosy 効果 方向情報など positive な面を逆に利用する 3Co 化学シフトの異方性のみ考慮 δ xx = 5.6 ppm, δ yy = 48.6 ppm, δzz = 40.6 ppm

22 化学シフトの異異 方性 と 双極 子間相互作 用 の 二つが出揃ってしまったら もうこれを出さないわけにはいかない

23 TROSY パルス系列列による 高分 子量量への挑戦 J HN 二次元 H- 5 N 相関スペクトル J HN 5 N 化学シフト値 (ppm) 800 kda 高分 子量量でも観測可 GHz NMR が理理想的 H 化学シフト値 (ppm) J HN アミド基 メチル基 芳 香環に適 用可 H N C α C o H N C α C o H N

24 B 0 双極 子間相互作 用 & 化学シフトの異異 方性 S ββ Iα αβ Iα βα αα Ωs 遮蔽が小さい S σ XX ( θ = 90 ) αβ ββ βα σ XX αα Ωs

25 B 0 分 子が 90 回転して I- S 結合が横を向くと ββ Iα αβ βα Iα S αα Ωs J ではなく dd 遮蔽が大きい ββ σ ZZ S αβ βα σ ZZ ( θ = 0) αα Ωs

26 B 0 I スピンが β 状態にあると Sx ββ Iβ αβ Iβ βα αα Ωs ββ TROSY-peak 遮蔽が小さい S σ XX ( θ = 90 ) αβ αα βα σ XX Ωs S スピンの CSA は I スピンが α 状態にあるか β 状態にあるかに依らない

27 分 子が 90 回転して I- S 結合が横を向くと B 0 ββ αβ Iβ Iβ βα S αα Ωs 遮蔽が大きい ββ TROSY-peak S αβ βα σ ZZ σ ZZ ( θ = 0) αα Ωs

28 5 N- H の DD/CSA TROSY 効果は静磁場強度 B 0 に依存する TROSY [ R ( CSA) R ( )] DD 化学シフトの異方性 2 30 緩和速度 (/sec) 双極子双極子相互作用 2 TROSY R 2 (CSA) 5 N R 2 (DD) 5 N- H N 系列 系列 2 系列 τ r = 20 ns (~50 kda), θ csa-dd = 5 双極子双極子相互作用 化学シフトの異方性 H 核の共鳴周波数 (MHz)

29 TROSY [ ( ) ( )] 2 R2 CSA ± R2 DD 2 2 ( CSA) ) + ( R ( DD) ) ± 2 R ( CSA) R ( DD) = ( R 化学シフトの異方性 2 自己相関自己緩和 静磁場の 2 乗に比例する 双極子双極子相互作用 2 距離の6 乗に反比例する 双極子双極子相互作用 化学シフトの異方性静磁場の 乗に比例する 距離の3 乗に反比例する 自己相関自己緩和 交差相関自己緩和 ( 注 )NOE は Iz と Sz の間の 自 己相関交差緩和 ( 注 )CRIPT は Ix と IxSz の間の 交差相関交差緩和 双極子双極子相互作用 (RDC など ) 距離の 3 乗に反比例する

30 TROSY の原理理が交差相関緩和であることは分かったけれど あのパルスプログラム... product- operator で追いかけていくとスパゲッティになるんですよね

31 J- カップリングによる展開 (/(4J)) 化学シフトによる展開を無視するとする I * y x S t t 2 Sα I は右回り y I y S x S Sβ I は左回り x I

32 I と S の同時反転 I * y x S t t 2 I は右回り y I y S x S I は左回り x I

33 J- カップリングによるさらなる展開 (/(4J)) 2IxSz anti- phase I * y x S t t 2 I は右回り y I y S x S I は左回り x I 2Sz = (Sα- Sβ)

34 磁化移動のど真ん中 2IzSz two- spin order z I I y * x S t t 2 z S y I y S x I x S I の 二重線のうち 一 方だけを反転させたのに等しい S のスピン状態に選択的に I を反転 Spin- State- Selective inversion

35 I- Sβ I- Sα TROSY パルス系列列における スピン状態選択的磁化移動 Iβ S± H /4J グループとして特殊な π- パルス y y t 2 Iα S± y 5 N t an@- echo ββ ββ ββ Iβ S- I- S- I- Sβ αβ Iα S+ αα βα αβ I- S+ αα βα αβ βα I- Sα αα echo

36 昔は H- 5 N TROSY が隆盛を誇っていたけれど 最近はなにやら メチル TROSY というのも出てきたね これも同じ原理理 ( 交差相関緩和 ) でいいのかな?

37 Cross correlation in MQ { H- 3 C}... () B 0 Hα 3 Cx 2 C 3 C Hβ H:α Hα H Ω 3C メチル基が 高速回転すると H はあたかも同じ位置にある様 Hβ 3 Cx 2 C 3 C H H:β Hβ Hα Ω 3C

38 Cross correlation in MQ { H- 3 C}... (2) B 0 分 子が 90 向きを変えた場合でも 二つの局所磁場は常に打ち消し合う 2 C H:α Hα Hα 3 C H 3 Cx Hβ Ω 3C 2 C H:β Hβ 3 Cx Hβ Hα 3 C H Ω 3C

39 Cross correlation in MQ { H- 3 C}... (3) B 0 メチル基の残る 二つの H が同じスピン状態だと打ち消し合わない Hα 3 Cx 2 C 3 C Hα H:α H Hα Ω 3C Hα 3 Cx 2 C 3 C H H:α Hα Hα Ω 3C

40 Cross correlation in MQ { H- 3 C}... (4) B 0 分 子が 90 回転するたびにピークが逆側に振れる 2 C H:α Hα Hα 3 C H 3 Cx Hα Ω 3C 2 C H:α Hα Hα 3 C 3 Cx Hα H Ω 3C メチル基の回転により同じ H が再び戻ってきた時は 自 己相関

41 H 3 C 2J t 2J J H-3C J H-3C H:αβ, βα H π パルスによって スピン状態が替わる αβ βα H:αα H:ββ βα αβ αα ββ ββ αα Ω 3C

42 Cross correlation in SQ { 3 C} B 0 局所磁場は完全には打ち消し合わない H 90 パルスがスピン状態をごちゃ混ぜにしてしまう 2 C Hα Hα 3 C 3 Cx Hβ Hα Hα 3 Cx Hβ 3 Cx

43 TROSY 2 [ ( ) ( )] 2 R2 DD ± R2 DD2 2 2 ( DD) ) + ( R ( DD2) ) ± 2 R ( DD) R ( 2) = ( R DD 双極子双極子相互作用 2 自己相関自己緩和 双極子双極子相互作用 双極子双極子相互作用 2 交差相関自己緩和 ( 注 )Ix と IxIzIz の間の交差相関交差緩和を利利 用したダイナミクス検出法もある

44 メチル HMQC- TROSY はすこぶるややこしかったけれど そもそもどうして多量量 子コヒーレンスは直接観測できないのだろう?

45 3 C/ 5 N/ 2 H 90 パルス幅の決定 3 C- H 3 -OH メタノール 5 N- 尿素 in d-dmso H -Iy 2J 5 N/ 3 C θ θ = 0º -IxSβ 2IxSz -2IxSy IxSα

46 2 3 -Iy x I -IxSβ z I y I I S 2 2J z S Sα 3 4 -Iy はなし 2IxSz x S Sβ y S IxSα 4 I 直線のまま回転する S -y I -2IxSy Ix = /2 ( I + + I - ) Sy = /2i ( S + - S - ) 2IxSy = /2i ( I + S + - I - S - - I + S - + I - S + ) y S

47 HMQC はパルスの数が少なくて簡単そうに 見見えるのだけれど どうも 水が消えない それに 3 C- natural abundance だとどうしても gradient- echo を 入れないといけない しかし あの gradient の 大きさはどうやって計算するのかな? ( ) = γb 0 t + γ G( τ) φ t 傾斜磁場勾配パルス pulsed field gradient t 0 z( τ)dτ

48 Z 方向沿いのパルス - gradient - 3 ΔG +3 ΔG +2 ΔG + ΔG 0 - ΔG -2 ΔG -3 ΔG 0 追加した磁場強度度 -2 ΔG

49 ( 例例 ) 傾斜磁場勾配 (gradient) パルスをかける 30 G/cm for ms ( 矩形波パルス ) 30 G = T T * (00 MHz / T) = MHz ( H) MHz * ms = 28 回転 (/cm) ミリ秒後には 試料料管の上下 cm の間で 28 回転の差が出来ている +64 回転 Gr 30 G/cm cm ms 0 回転 -64 回転

50 Gradientecho () I Gr δ δ 2 3 遅い 速い 実際は揃っているとする 試料料管を縦に通してみると 同じ共鳴の磁化でも扇のように広がって 見見える

51 Gradientecho (2) I Gr δ 6 δ 4 5 扇の広がり度度合いは固定したまま 化学シフトで展開する 反転する

52 Gradientecho (3) I Gr δ δ 6 7 遅い 速い 扇の広がり程度度は固定したまま 化学シフトで展開する 扇の広がりが閉じる

53 Gradientecho (4) I Gr δ δ 8 y δ の中のどの時間に Gr を打ってもよい x 磁化が揃ったまま +y 方向に 行行き着く

54 Echo/anti- echo gradient selection in HMQC I- I- I- S+ S Bruker pulse program catalogue H: MHz/T (.0) 3 C: MHz/T (0.254) +80*( ) -80*( ) +40.2*(-) = 0

55 Echo/anti- echo gradient selection in HMQC I- I- I- S- S Bruker pulse program catalogue +80*( ) -80*( ) +40.2*(-) = 黒のグラジエントに 逆転させると -80*( ) +80*( ) +40.2*(-) = 0.0

56 そういえば 測定後のプロセスの仕 方については今 日は何も出てこなかったなあ ~

57 ( ) = S t S ω フーリエ変換 ( )exp( iωt)dt フランスの数学 物理理学者 789 年年フランス 革命に遭遇 ナポレオンに随 行行してエジプトに遠征 ロゼッタ ストーンを発 見見

58 FID をフーリエ変換すると NMR スペクトルになる FID ( 時間軸データ ) フーリエ変換後 スペクトル ( 周波数軸データ ) H スピンの回転速度度を表す

59 スピン 500MHz NMR 毎秒 5 億回転 電 子 - N 原 子核 + H H S

60 7 FID 7 x ωt Sin 曲線 t y Cos 曲線 t 6 回転は ( 振動する ) cos, sin 曲線で 表すことができる

61 秒間に 30 周回転したとすると 秒 フーリエ変換 30 Hz

62 秒間に 0 回転していたら. 秒 0 Hz の位置にピークが出た

63 もう 一つ 秒間に 30 回 しかも 逆向きに回転していたら. 何が混ざっているのか 一 見見分からない 0 Hz と - 30Hz の位置にピークが出た 周波数だけでなく 大きさまで きっちりと分けれた!

64 S ( ω) S( t) exp( iωt) dt = = S( t){cos( ωt) i sin( ωt)} dt では 試しに cos (40 * t) を掛けてみよう 端から端まで 足し合わせると 0 になるから 40 Hz は間違いのようだ

65 今度度は もう少し実際の振動に近そうな cos (0 * t) を掛けてみよう 端から端まで足し合わせても 0 ではないから 0 Hz が正しいようだ

66 では cos ( * t) を掛けたら どうなるのだろう? 微妙 完全には 0 にならないようだ

67 Window 関数の適 用 FID の右端に値が残っていると フーリエ変換後に wiggle ( 波 ) が出てしまう

68 FID の右端が 0 になるように整形すると exp( 3.0t) フーリエ変換後に wiggle ( 波 ) は消える

69 FID の長さを半分にして 同じ window をかけると exp( 3.0t) 再び wiggle ( 波 ) が出てしまう

70 最後は やはりこの図で締めくくり

71 電子スピン µ により生じた双極子磁場により核スピン µ 2 が影響を受ける 核スピンの横緩和にもっとも影響を与える双極子磁場 µ µ 2 r 3 ( 3cos 2 θ ) θ µ 2 N µ S 分子の回転により 双極子磁場の向きと大きさが変化する

72 遷移 金金属などによる常磁性緩和 B 0 µ e µ n 北北極 & 南極 核スピンの位置に作られる双極 子磁場を全て合計すると 0 ωn µ e 赤道上 分 子の回転によって PRE 緩和は起こるが 核の化学シフトの平均値は影響を受けない µ n ωn 分 子が回転しても電 子スピンの磁化 µ e の 大きさが同じ場合

73 B 0 双極 子双極 子相互作 用 Dipole- dipole coupling 電 子の緩和が遅い場合 (Gd 3+, Mn 2+ ) e α ββ Sx αβ βα e α e β αα ωs ββ e β e α e α Sx αβ βα αα 分 子の回転運動により 大きな splitting が平均化される ωs

74 B 0 双極 子双極 子相互作 用 Dipole- dipole coupling 電 子の縦緩和が速い場合 (Ni 2+ ) Sx e α e β e α αβ ββ βα ωs Sx αα e β ωs 電 子の縦緩和により 大きな splitting が平均化される これの J- coupling 版が 2 H- 3 C における第 二種のスカラー緩和

75 Lanthanide ions ランタノイド金属 f-block transition elements 6s 5p 5s 4f 4d no PCS 4f Eu 2+, Gd 3+ 4f 4f Yb 3+ 4f 5d 6s 57 La Ce 2 59 Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Eu Tm Yb Lu 4 2

76 B 0 分 子の回転に伴って電 子スピンの磁化 µ e の 大きさが変わる場合 µ e µ n ωn 双極 子双極 子相互作 用が核スピンの位置に作る双極 子磁場を全て合計しても 0 にならない µ n µ e ( 距離離 ) の 3 乗に反 比例例して 核の共鳴値の平均値が変わる ωn

77 静磁場中での分 子の 方向によってエネルギーの 大きさが変わる E ΔE = µ B g e Bo ΔE = µ B g zz Bo ΔE = µ B g kk Bo γ = g e µ B g zz projec@on onto B 0 g kk g zz Bo g yy g xx g xx g yy Bo isotropic g tensor H d = γ Iγ S! 2 # $ r 3!!!! I S 3 ( I er )( S! e! r ) % & g kk 2 = g xx 2 cos 2 α + g yy 2 cos 2 β + g zz 2 cos 2 γ

78 B 0 Curie-spin relaxation 電子の緩和が速い場合 e α Sx αβ ββ βα e α e β αα ωs α 状態 > β 状態 ββ e α αβ βα e β e α Sx αα ωs 分子の回転に依って平均化される

79 B 0 キュリースピン緩和 Curie-spin relaxation Sx β 北極 & 南極 e α + e β ボルツマン分布によるエネルギーレベルの差 α β Ωs 赤道上 e α + e β α Ωs 分子の回転に依って平均化される

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