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

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:

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 teknik^{kullanılır 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, P_T, denklem 2 ile:

R_I ve R_O sırasıyla iç ve dış rotor yarıçapıdır, ω saniyede radyan cinsinden dönme frekansıdır ve P_s örnek basınçtır.

Bu endişeleri gidermek için bir dizi strateji geliştirilmiştir⁹. İlk örnekler, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda uzun^süreli,ince kontrollü çalışma için yetersiz olan alevle kapatılmış^10,11,¹² 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 muzdariptir^8,15,16. 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.