Stolní nukleární magnetická rezonanční spektrometr - Benchtop nuclear magnetic resonance spectrometer - Wikipedia

A Stolní nukleární magnetická rezonanční spektrometr (Stolní NMR spektrometr) odkazuje na a Fourierova transformace nukleární magnetická rezonance (FT-NMR) spektrometr, který je výrazně kompaktnější a přenosnější než konvenční ekvivalenty, takže je přenosný a může být umístěn na laboratorním stole. Tato výhoda pochází z použití permanentních magnetů, které mají nižší magnetické pole a sníženou citlivost ve srovnání s mnohem většími a dražšími supravodivými NMR magnety chlazenými kryogenem. Místo toho, aby vyžadovaly vyhrazenou infrastrukturu, místnosti a rozsáhlé instalace, lze tyto stolní nástroje umístit přímo na lavici v laboratoři a podle potřeby je přemístit (např., do dýmu). Tyto spektrometry nabízejí vylepšený pracovní postup, a to i pro začínající uživatele, protože jsou jednodušší a snadno použitelné. Liší se od relaxometry v tom, že mohou být použity k měření NMR spekter s vysokým rozlišením a nejsou omezeny na stanovení relaxace nebo difúze parametry (např., T1, T2 a D).

Vývoj magnetů

Tato první generace NMR spektrometrů používala velké Elektromagnety vážící stovky kilogramů nebo více. O něco menší stálý magnet systémy byly vyvinuty v šedesátých a sedmdesátých letech na protonových rezonančních frekvencích 60 a 90 MHz a byly široce používány pro chemickou analýzu pomocí metody spojitých vln ale tyto permanentní magnety stále vážily stovky kilogramů a nemohly být umístěny na stůl. Supravodivé magnety byly vyvinuty k dosažení silnějších magnetických polí pro vyšší rozlišení a zvýšenou citlivost. Tyto supravodivé magnety jsou však drahé, velké a vyžadují speciální stavební zařízení.[1] Kryogeny potřebné pro supravodiče jsou navíc nebezpečné a představují náklady na trvalou údržbu.[2][3][nespolehlivý zdroj? ] Výsledkem je, že tyto nástroje jsou obvykle instalovány ve vyhrazených místnostech nebo zařízeních NMR pro použití více výzkumnými skupinami.

Od počátku roku 2000 došlo k renesanci technologie a designu s permanentními magnety,[4] s dostatečným pokrokem umožňujícím vývoj mnohem menších nástrojů NMR s užitečným rozlišením a citlivostí pro vzdělávání, výzkum a průmyslové aplikace.[5] Samarium – kobalt a neodym zejména magnety jsou dostatečně silné pro přístroje do 90 MHz. Tyto menší konstrukce, které pracují s teplotami magnetů od teploty místnosti do 60 ° C, umožňují výrobu nástrojů dostatečně malých, aby se vešly na laboratorní stůl, a bezpečné pro provoz v typickém laboratorním prostředí. Vyžadují pouze jednofázové místní napájení a Systémy UPS může být přenosný a může provádět NMR analýzy v různých bodech výrobní oblasti.

Nevýhoda malých magnetů a způsob jejich překonání

Jednou z největších nevýhod NMR spektrometrů s nízkým polem (0,3 - 1,5 T) je teplotní závislost permanentních magnetů použitých k výrobě hlavního magnetického pole. U malých magnetů existovala obava, že intenzita vnějších magnetických polí může nepříznivě ovlivnit hlavní pole, avšak použití magnetických stínících materiálů uvnitř spektrometru tento problém eliminuje. Aktuálně dostupné spektrometry lze snadno přesouvat z jednoho místa na druhé, včetně těch, které jsou namontovány na přenosných vozících s nepřetržitým napájením.[6] Dalším souvisejícím problémem je, že v současné době dostupné spektrometry nepodporují zvýšené teploty vzorku, které mohou být požadovány pro některá měření in-situ v chemických reakcích.

Nedávný článek naznačuje, že speciální experimentální nastavení se dvěma nebo více cívkami a synchronními oscilátory může pomoci překonat tento problém [7] a umožnit mu pracovat s nestabilním magnetickým polem a s cenově dostupnými oscilátory.

Aplikace

NMR spektroskopii lze použít pro chemickou analýzu,[8][9] monitorování reakce,[10] a experimenty zabezpečování / kontroly kvality. Přístroje s vyšším polem umožňují bezkonkurenční rozlišení pro určování struktury, zejména u komplexních molekul. Levnější, robustnější a univerzálnější přístroje pro střední a nízké pole mají dostatečnou citlivost a rozlišení pro monitorování reakce a analýzy QA / QC.[1] Jako taková technologie permanentních magnetů nabízí potenciál rozšířit dostupnost a dostupnost NMR na instituce, které nemají přístup k supravodivým spektrometrům (např., začínající vysokoškoláci[11] nebo malé podniky).

V uplynulém desetiletí bylo vyvinuto mnoho automatizovaných aplikací využívajících přístupy vícerozměrných statistických analýz (chemometrie) k odvození korelace struktury a vlastností a chemických a fyzikálních vlastností mezi 60 MHz 1H NMR spektry a primárními analytickými daty, zejména pro aplikace na řízení ropy a petrochemických procesů.[12][13]

Dostupné stolní NMR spektrometry

Vývoj této nové třídy spektrometrů začal v polovině dvacátých let, přičemž tato jedna z posledních technik molekulární spektroskopie byla zpřístupněna pro stolní počítače.

Spinsolve

Se sídlem na Novém Zélandu a v Německu Magritek přístroj Spinsolve, pracující na 80 MHz,[14] 60 MHz[15] a 42,5 MHz, nabízí velmi dobrou citlivost a rozlišení méně než 0,5 Hz a váží pod 73 kg, 60 kg a 55 kg. Model ULTRA[16] má ještě vyšší rozlišení 0,2 Hz s tvarem čáry 0,2 Hz / 6 Hz / 12 Hz srovnatelné se specifikacemi NMR pro vysoké pole. 1D Proton, 19F fluor, 13C uhlík a 31P fosfor, stejně jako T1, T2 a 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COSY a JRES lze měřit spektra. Magnet je stabilizován vnějším zámkem, což znamená, že nevyžaduje použití deuterovaná rozpouštědla. Vzorky se měří pomocí standardních 5 mm NMR zkumavky a spektrometr je řízen přes externí počítač, kde probíhá standardní sběr a zpracování dat NMR.

picoSpin

V roce 2009 společnost picoSpin LLC se sídlem v Boulderu v Coloradu uvedla na trh první stolní NMR spektrometr s picoSpin 45. Malý (7 x 5,75 x 11,5 ”) 45 MHz spektrometr s dobrým rozlišením (<1,8 Hz) a střední až nízkou -rozsah citlivosti, který váží 4,76 kg (10,5 liber) a může získat 1D 1H nebo 19F spektra. PicoSpin získala společnost Thermo Fisher Scientific v prosinci 2012 a následně přejmenován na produkt Thermo Scientific picoSpin 45.[17] Namísto tradičních statických 5 mm NMR zkumavek používá spektrometr picoSpin 45 průtokový systém, který vyžaduje vstřikování vzorku do 1/16 ”PTFE a křemene kapilární. Deuterovaná rozpouštědla jsou volitelná kvůli přítomnosti softwarového zámku. K ovládání potřebuje pouze webový prohlížeč na jakémkoli externím počítači nebo mobilním zařízení, protože spektrometr má zabudovanou desku webového serveru; není vyžadován žádný nainstalovaný software na vyhrazeném počítači. V srpnu 2013 byla představena druhá verze, Thermo Scientific picoSpin 80, která pracuje na 82 MHz s rozlišením 1,2 Hz a desetinásobnou citlivostí oproti původnímu picoSpin 45.

Připraven

Calgary, AB, se sídlem v Kanadě Nanalýza Společnost Corp nabízí dva stolní NMR přístroje NMReady 60 MHz, které váží 25 kg. Spektrometry jsou jednotky typu „vše v jednom“ ovládané počítačem s dotykovou obrazovkou, který je obsažen ve stejném krytu jako magnet. Model NMReady 60e provádí experimenty 1D 1H a 19F a také T1, T2, JRES a COSY. Kromě toho je NMReady 60Pro dvoujádrový nástroj, který lze také naladit na 13C, 31P, 11B a 7Li a provádět DEPT, HSQC, HMBC s možností dalších experimentů, jako je potlačení signálu. Magnet je stabilizován interním 2H zámkem, takže se doporučuje použití deuterovaných rozpouštědel, ale není to nutné. Tyto spektrometry nabízejí rozlišení <1,2 Hz, používají standardní 5mm NMR zkumavky a jsou kompatibilní s většinou softwarových sad třetích stran.

Na konci roku 2020 společnost Nanalysis zpřístupnila modely 100e a 100PRO. Nabízejí režimy 1D a 1D + 2D na 100 MHz a 2,35 T. Hmotnost stroje je přibližně 25 kg[18][19]

X-Pulse / Pulsar

V roce 2019 Oxford Instruments uvedl na trh nový 60 MHz spektrometr s názvem X-Pulse.[20] Tento přístroj představuje významné zlepšení oproti předchozímu systému Pulsar, který byl uveden na trh v roce 2013. X-Pulse má standardně nejvyšší rozlišení (<0,35 Hz / 10 Hz) ze současně dostupných stolních analyzátorů NMR bez kryogenů. Zahrnuje 60 MHz permanentní magnet vzácných zemin. X-Pulse je jediný stolní NMR systém, který nabízí plně širokopásmový X kanál pro umožnění měření 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B a 23Na na jedné sondě. Velký rozsah 1D a 2D měření lze provést na všech jádrech, 1D spektra, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES a mnoha dalších, včetně potlačení rozpouštědla a selektivní excitace. X-Pulse má také možnosti pro průtokové NMR a sondu s proměnnou teplotou umožňující měření vzorků v NMR zkumavkách při teplotách od 20 ° C do 60 ° C. Magnet a spektrometr jsou ve dvou samostatných krabicích s magnetem o hmotnosti 149 kg[21] a elektronika o hmotnosti 22 kg. X-Pulse vyžaduje standardní síťové elektrické napájení a používá standardní 5mm NMR trubice. Ovládání nástroje pochází z balíčku pracovního toku SpinFlow, zatímco zpracování a manipulace s daty je prováděno pomocí softwarových balíčků NMR třetích stran. Nástroje Pulsar byly ukončeny v roce 2019 po uvedení X-Pulse.

Bruker

V roce 2019 Bruker, dlouholetý výrobce a lídr na trhu vysoce výkonných NMR strojů, představil Benchtop NMR, Fourier 80 FT-NMR. Stroj používá permanentní magnety a pracuje se standardním softwarem Bruker (plně futurizovaný software TopSpin 4 pro Windows a Linux; stejně jako API založené na Pythonu od Windows a Linux; a zjednodušená aplikace s názvem GoScan). Stroj lze konfigurovat pro spektra 1H a 13C (možná více na zakázku) v 1D a 2D režimech a pracuje na 80 MHz (1,88 T). Stroj váží asi 93 kg a při provozu spotřebuje méně než 300 W.[22]

Reference

  1. ^ A b Dalitz, F., Cudaj, M. Maiwald, M., Guthausen, G. Prog. Nuc. Mag. Res. Spec. 2012, 60, 52-70
  2. ^ Tuttle, Brad. „Ceny hélia narazily na střechu a ponechaly deflační prodej balónů“. Business.time.com. Citováno 28. října 2018.
  3. ^ DiChristina, Mariette. „Nastávající nedostatek helia“. Blogs.scientificamerican.com. Citováno 28. října 2018.
  4. ^ Danieli E., Mauler J., Perlo J., Blümich B., Casanova F., J Mag. Res 2009, 198 (1), 80–87
  5. ^ Danieli E., Perlo J., Blümich B., Casanova F., Angewandte Chemie 2010, 49 (24), 4133–4135
  6. ^ „Mobile Spinsolve Benchtop NMR Spectrometer Facilitates Undergraduate Teaching | Magritek“. www.magritek.com. Citováno 2017-08-06.
  7. ^ Ibragimova, Elena; Ibragimov, Ilgis (2017). "ELEGANTNÍ NMR spektrometr". arXiv:1706.00237 [physics.ins-det ].
  8. ^ Jacobsen, N. E., „NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory, Applications and examples for Organic Chemistry and Structural Biology“ 2007, John Wiley & Sons, Inc .: Hoboken, New Jersey
  9. ^ Friebolin, H. „Základní jedno- a dvourozměrná NMR spektroskopie“ 5. vydání 2011, Wiley-VCH: Německo
  10. ^ Berger, S; Braun, S .; „200 a více experimentů NMR: Praktický kurz“ 2004 Wiley-VCH: Německo
  11. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 21. 8. 2013. Citováno 2013-06-10.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  12. ^ „Process NMR Spectroscopy: Technology and On-line Applications“ John C. Edwards a Paul J. Giammatteo, kapitola 10 v Process Analytical Technology: Spectroscopic Tools and Implementation Strategies for the Chemical and Pharmaceutical Industries, 2nd Ed., Editor Katherine Bakeev, Blackwell-Wiley, 2010
  13. ^ „Přehled aplikací NMR spektroskopie v ropné chemii“ John C. Edwards, kapitola 16 v monografii 9 o spektroskopické analýze ropných produktů a maziv, editor: Kishore Nadkarni, ASTM Books, 2011.
  14. ^ Magritek. "Spinsolve 80 Benchtop NMR Brochure Download". Go.magritek.com. Citováno 2017-08-06.
  15. ^ [1][mrtvý odkaz ]
  16. ^ Magritek. „Spinsolve ULTRA Benchtop NMR Brochure Download“. Go.magritek.com. Citováno 2017-08-06.
  17. ^ „Firemní redakce Thermo Fisher Scientific“. News.thermofisher.com. Citováno 28. října 2018.
  18. ^ „NMR spektrometry - NMR spektroskopie - Labrotek Ltd“. Labrotek. Citováno 12. srpna 2020.
  19. ^ „100 MHz Benchtop NMR - multinuclear“. Stolní NMR. Citováno 12. srpna 2020.
  20. ^ „X-Pulse je první stolní NMR systém na světě, který nabízí skutečné vícejaderné schopnosti - magnetická rezonance“. Oxford Instruments. Citováno 2020-02-18.
  21. ^ „Specifikační list Oxford Pulsar“ (PDF). Acs.expoplanner.com. Archivovány od originál (PDF) dne 7. 8. 2017.
  22. ^ "Stolní NMR | Spektrometr | Jaderná magnetická rezonance". Bruker.com. Citováno 12. srpna 2020.