2차원 핵자기공명분광학

Two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy

2차원 핵자기공명분광학(2D NMR)은 핵자기공명분광학(NMR) 방법의 집합으로, 하나의 주파수 축이 아닌 두 개의 주파수 축에 의해 정의된 공간에 플롯된 데이터를 제공한다.2D NMR의 유형에는 상관분광학(COSY), J-스펙트로스코피, 교환분광학(EXSY), 핵오버하우저 효과분광학(NOESY) 등이 있다.2차원 NMR 스펙트럼은 1차원 NMR 스펙트럼보다 분자에 대한 더 많은 정보를 제공하며, 특히 1차원 NMR을 사용하기에는 너무 복잡한 분자의 구조를 결정하는 데 유용하다.

최초의 2차원 실험인 COSY는 1971년 Libre de Bruxelles 대학의 Jean Jener 교수에 의해 제안되었다.이 실험은 나중에 월터 P에 의해 실행되었다.Aue, Enrico Bartholdi, Richard R. 1976년에 작품을 출판한 [1][2][3]에른스트.

기본 개념

각 실험은 지연 주기를 사이에 둔 일련의 무선 주파수(RF) 펄스로 구성됩니다.이러한 펄스의 타이밍, 주파수 및 강도는 서로 [4]다른 NMR 실험을 구별합니다.거의 모든 2차원 실험은 4단계로 구성되어 있다: RF 펄스의 세트를 통해 자화 일관성이 만들어지는 준비 기간, 진화 기간, 펄스가 전달되지 않고 핵 스핀이 자유롭게 세차(회전)할 수 있는 정해진 시간 길이, 일관성이 조작되는 혼합 기간다른 일련의 펄스에 의해 관측 가능한 신호를 제공하는 상태로 변질되고, 샘플의 자유 유도 붕괴 신호가 1차원 [5]FT-NMR과 동일한 방식으로 시간의 함수로 관찰되는 검출 기간.

2차원 NMR 실험의 2차원은 화학적 변화를 나타내는 2개의 주파수 축이다.각 주파수 축은, 진화 기간의 길이(진화 시간)와 검출 기간(검출 시간)의 경과 시간(검출 시간)의 2개의 시간 변수 중 하나에 관련지어진다.각각 2차원 푸리에 변환을 통해 시계열에서 주파수 계열로 변환됩니다.단일 2차원 실험은 일련의 1차원 실험으로 생성되며, 연속 실험에서 다른 특정 진화 시간을 가지며, 각 [5]실험에서 검출 기간의 전체 지속 시간이 기록된다.

최종 결과는 각 주파수 변수 쌍에 대한 강도 값을 보여주는 그래프입니다.스펙트럼의 피크 강도는 세 번째 차원을 사용하여 나타낼 수 있다.일반적으로 명암은 윤곽선 또는 다른 색상을 사용하여 표시됩니다.

동핵 스루 결합 상관법

이러한 방법에서 자화 전달은 최대 몇 개의 결합에 의해 연결된 핵의 J-커플링을 통해 같은 유형의 핵들 사이에서 일어난다.

상관분광학(COSY)

표준 COSY에서 조제(p1) 기간과 혼합(p2) 기간은 각각 진화시간 t1로 분리된 단일 90° 펄스로 구성되며, 검체로부터의 공진 신호는 검출기간 동안 t2의 범위에 걸쳐 읽힌다.

첫 번째이자 가장 인기 있는 2차원 NMR 실험은 호모핵 상관 분광법(COSY) 시퀀스로, 서로 연결된 스핀을 식별하는 데 사용됩니다.단일 RF 펄스(p1)에 이어 특정 진화 시간(t1)에 이어 두 번째 펄스(p2)에 이어 측정 주기(t2)[6]로 구성됩니다.

COSY 실험의 결과인 2차원 스펙트럼은 단일 동위원소, 가장 일반적으로 두 축을 따라 수소(1H)의 주파수를 보여준다.(에서 개개와 경수소와 같은 서로 다른 동위 원소의 두축 해당 기법 또한 이핵 상관 스펙트럼을 생성하기 위해, 고안되기에 이르렀다.).한1D-NMR 실험한 산 정상으로 비스듬하게 봉우리 해당한다, 반면 크로스의 봉우리nuclei(많이 multiplet 분열 1D-NMR에 연결 장치를 나타내)의 쌍 사이의 연결 장치를 가리킨다.를 클릭합니다.[6]

교차 피크는 자화 전달이라고 불리는 현상에 의해 발생하며, 그들의 존재는 교차 피크의 좌표를 구성하는 두 개의 다른 화학적 변화를 가진 두 개의 핵이 결합되었음을 나타냅니다.각 결합은 대각선 위와 아래에 대칭적인 두 개의 교차 피크를 제공합니다.즉, 이러한 값에서 두 축을 따라 스펙트럼의 신호 사이에 상관관계가 있을 때 크로스 피크가 발생합니다.교차 피크가 어떤 커플링을 나타내는지 쉽게 판단할 수 있는 방법은 교차 피크의 바로 위 또는 아래에 있는 대각 피크와 교차 피크의 바로 왼쪽 또는 오른쪽에 있는 다른 대각 피크를 찾는 것입니다.이 두 개의 대각선 피크로 표현되는 핵은 [6]결합되어 있다.

1프로게스테론의 H COSY 스펙트럼.수평축과 수직축을 따라 나타나는 스펙트럼은 규칙적인 1차원 H NMR 스펙트럼이다.피크의 대부분은 대각선을 따라 나타나는 반면 크로스 피크는 대각선의 위와 아래에 대칭으로 나타납니다.

COSY-90은 가장 일반적인 COSY 실험입니다.COSY-90에서는 p1 펄스가 핵 스핀을 90° 기울인다.COSY 패밀리의 다른 멤버는 COSY-45입니다.COSY-45에서는 두 번째 펄스 p2에 대해 90° 펄스 대신 45° 펄스가 사용됩니다.COSY-45의 장점은 대각선 피크가 덜 뚜렷해 큰 분자의 대각선 부근에서 크로스 피크를 쉽게 일치시킬 수 있다는 것입니다.또한 결합상수의 상대부호(J-커플링#규모의 J-커플링 참조)는 COSY-45 스펙트럼에서 설명할 수 있다.이것은 COSY-90에서는 불가능합니다.[7]전체적으로 COSY-45는 더 깨끗한 스펙트럼을 제공하지만 COSY-90은 더 민감합니다.

또 다른 관련 COSY 기술은 Double Quantum Filtered(DQF; 이중 양자 필터) COSY입니다.DQF COSY는 위상 사이클링 또는 펄스 필드 구배와 같은 간섭성 선택 방법을 사용합니다. 이 방법은 이중 양자 코히션의 신호만 관측 가능한 신호를 제공합니다.이는 대각선 피크의 강도를 줄이고 그 라인쉐이프를 넓은 "분산" 라인쉐이프에서 더 날카로운 "흡수" 라인쉐이프로 변경하는 효과가 있다.또한 분리된 핵에서 대각선 피크를 제거합니다.이들 모두 대각선 피크가 일반 COSY [8]스펙트럼에서는 약한 크로스 피크를 가리는 것을 방지하는 깨끗한 스펙트럼을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

배타적 상관 분광법(ECOSY)

주요 기사:배타적 상관 분광법


총상관분광학(TOCSY)

아미노산에 대한 일반적인 TOCSY 값

TOCSY 실험은 결합된 양성자의 교차 피크가 관찰된다는 점에서 COSY 실험과 유사하다.그러나 교차 피크는 직접 연결된 핵뿐만 아니라 연결 체인으로 연결된 핵 간에도 관찰된다.이를 통해 스핀 커플링의 상호 연결된 대규모 네트워크를 식별할 수 있습니다.이 기능은 혼합 기간 동안 등방성 혼합을 일으키는 반복적인 일련의 펄스를 삽입함으로써 달성됩니다.등방성 혼합 시간이 길수록 편광은 [9]결합의 수를 통해 확산됩니다.

올리고당의 경우 각 당잔기는 분리된 스핀계이므로 특정 당잔기의 모든 양성자를 분화할 수 있다.TOCSY의 1D 버전도 이용할 수 있으며, 단일 양성자를 조사함으로써 나머지 스핀 시스템을 밝힐 수 있습니다.이 기법의 최근 발전에는 1D-CSSF(화학 시프트 선택 필터) TOCSY 실험이 포함된다. TOCSY 실험은 고품질 스펙트럼을 생성하며 결합 상수를 안정적으로 추출하여 입체 화학을 결정하는 데 도움이 된다.

TOCSY는 때때로 "호모핵 하르트만"이라고 불린다.Hahaha" (Hahaha)[10] 입니다.

뛰어난 자연방사능 이중양자전달실험(INCUPERATE)

UPRICATIVE는 인접한 탄소 원자 사이의 C 커플링을 찾는 데 자주 사용되는 방법입니다.C의 자연 함량은 약 1%에 불과하기 때문에, 연구 대상 분자의 약 0.01%만이 이 실험에서 신호에 필요한 두 개의 가까운 C 원자를 가질 것입니다.단, (DQF COSY와 마찬가지로) 상관선택법을 사용하여 단일 C원자로부터의 신호를 방지함으로써 이중 C신호를 쉽게 해결할 수 있다.각각의 결합된 핵 쌍은 UCCRATE 스펙트럼에 동일한 수직 좌표를 갖는 한 쌍의 피크를 제공한다. 이는 핵의 화학적 이동의 합이다. 각 피크의 수평 좌표는 각 핵에 대한 화학적 이동이다.[11]

헤테로핵 스루본드 상관법

이종핵상관분광법은 서로 다른 두 종류의 핵간 결합에 기초한 신호를 제공한다.종종 두 개의 핵은 양성자와 다른 핵이다.역사적 이유로, 검출 기간 동안 헤테로핵 스펙트럼이 아닌 양성자를 기록하는 실험은 "역" 실험이라고 불립니다.이것은 대부분의 헤테로핵의 낮은 자연적 풍부함이 양성자 스펙트럼을 활성 헤테로핵이 없는 분자의 신호로 압도하는 결과를 초래하여, 바람직한 결합 신호를 관찰하는 데 유용하지 않게 만들었기 때문이다.이러한 바람직하지 않은 신호를 억제하는 기술이 등장함에 따라 HSQC, HMQC 및 HMBC와 같은 역상관 실험은 실제로 오늘날 훨씬 더 일반적입니다.헤트로핵 스펙트럼이 기록되는 "정상" 이핵 상관 분광법은 [12]HETCOR로 알려져 있다.

헤테로핵단량자상관분광법(HSQC)

1단백질 NleG3-2 단편 H–15N HSQC 스펙트럼.스펙트럼의 각 피크는 결합 N-H 쌍을 나타내며, 두 개의 좌표는 각 H 및 N 원자의 화학적 이동에 해당한다.어떤 봉우리들은 [13]그 신호를 주는 아미노산 잔류물로 라벨이 붙어있다.
주요 기사:복소핵 단일 양자 상관 분광법

HSQC는 1개의 결합으로 분리된2종류의 핵간의 상관관계를 검출합니다.이 방법은 결합 원자 쌍당 하나의 피크를 제공하며, 두 개의 좌표는 결합 [14]원자의 화학적 이동이다.

HSQC는 INEPT 펄스 시퀀스를 사용하여 I핵(일반적으로 양성자)에서 S핵(일반적으로 헤테로 원자)으로 자화를 전달함으로써 작동합니다. 이 첫 단계는 양성자가 더 큰 평형 자화를 가지기 때문에 이 단계가 더 강한 신호를 생성하기 때문에 수행됩니다.그런 다음 자화는 진화하고 관찰을 위해 I핵으로 다시 전달됩니다.그런 다음 추가 스핀 에코 스텝을 선택적으로 사용하여 신호를 분리할 수 있으며, 여러 t를 단일 피크로 축소하여 스펙트럼을 단순화할 수 있습니다.원하지 않는 비결합 신호는 하나의 특정 펄스의 위상이 반전된 상태에서 실험을 두 번 실행함으로써 제거됩니다. 이렇게 하면 원하는 피크의 부호가 반전되지만 원하지 않는 피크의 부호가 반전되므로 두 스펙트럼을 빼면 원하는 [14]피크만 얻을 수 있습니다.

헤테로핵다중양자상관분광학(HMQC)은 HSQC와 동일한 스펙트럼을 제공하지만 다른 방법을 사용한다.두 가지 방법은 작은 분자와 중간 크기의 분자에 대해 유사한 품질 결과를 제공하지만, HSQC는 더 [14]큰 분자에 대해 우수한 것으로 간주됩니다.

헤테로핵다중결합상관분광법(HMBC)

HMBC는 약 2-4개의 결합의 더 긴 범위에 걸쳐 이핵 상관관계를 검출한다.멀티본드 상관 검출의 어려움은 HSQC 및 HMQC 시퀀스에는 펄스 간의 특정 지연시간이 포함되어 있어 특정 커플링 상수 주위의 범위만 검출할 수 있다는 것입니다.커플링 상수가 좁은 범위에 있는 경향이 있기 때문에 이것은 싱글본드 방식에는 문제가 되지 않지만, 다중본드 커플링 상수는 훨씬 넓은 범위를 커버하고 있어 단일 HSQC 또는 HMQC [15]실험으로 모두 포착할 수 없습니다.

HMBC에서는 이러한 지연 중 하나를 HMQC 시퀀스에서 생략함으로써 이 문제를 해결할 수 있습니다.이를 통해 검출할 수 있는 커플링 상수의 범위가 넓어지고 완화로 인한 신호 손실도 줄어듭니다.이로 인해 스펙트럼이 분리될 가능성이 없어지고 신호에 위상 왜곡이 발생합니다.원본드 신호를 억제하고 멀티본드 [15]신호만 남기는HMBC 방식이 변경되었습니다.

스루 스페이스 상관법

이 방법들은 핵들 사이에 결합이 있는지 여부에 관계없이 물리적으로 서로 가까운 핵들 사이의 상관관계를 확립한다.이들은 스핀-라티스 완화 관련 메커니즘에 의해 (약 5Ω 이내) 인근 원자가 교차 이완되는 핵 오버하우저 효과(NOE)를 사용한다.

핵과잉 사용자 효과 분광법(NOESY)

NOESY에서는 혼합 기간 동안 핵 스핀 간의 핵 오버하우저 교차 완화를 사용하여 상관 관계를 설정한다.얻어진 스펙트럼은 대각 피크와 교차 피크가 있는 COSY와 유사하지만 교차 피크는 서로 연결된 관통 결합이 아닌 공간적으로 가까운 핵으로부터의 공명을 연결한다.NOESY 스펙트럼은 또한 추가 정보를 제공하지 않는 추가 축 피크를 포함하고 있으며 첫 번째 [16]펄스의 위상을 반전시킴으로써 다른 실험을 통해 제거할 수 있다.

NOESY의 한 가지 적용은 단백질 NMR과 같은 대규모 생체 분자에 대한 연구에 있으며, 이 경우 종종 순차적 걷기를 사용하여 관계를 할당할 수 있다.

NOESY 실험은 개별 공명을 미리 선택하여 1차원적으로 진행할 수도 있습니다.스펙트럼은 사전 선택된 핵으로 판독되며, 인접한 핵은 약한 양의 신호로 식별된다.이는 관심 공명에 대한 측정 가능한 NOE가 있는 피크를 보여줄 뿐이지만 전체 2D 실험보다 시간이 훨씬 적게 소요됩니다.또한 사전 선택된 핵이 실험 시간 범위 내에서 환경을 변화시키면 여러 개의 음성 신호가 관찰될 수 있습니다.이는 EXSY(교환분광학) NMR 방법과 유사한 교환 정보를 제공한다.

NOESY 실험은 용매에서 분자의 입체 화학을 식별하는 중요한 도구이며 단결정 XRD는 고체 형태의 분자의 입체 화학을 식별하는 데 사용되었다.

회전 프레임 핵오버하우저 효과 분광법(ROESY)

ROESY는 초기 상태가 다르다는 점을 제외하고는 NOESY와 유사합니다.z자화의 초기 상태에서 교차완화를 관찰하는 대신 평형자화는 x축으로 회전한 후 세퍼세스를 할 수 없도록 외부자기장에 의해 스핀록된다.이 방법은 ROESY가 상관시간과 교차완화율 상수의 의존관계가 다르기 때문에 핵오버하우저 효과가 너무 약해서 검출할 수 없는 특정 분자(일반적으로 분자량 약 1000달톤)에게 유용하다.NOESY에서는 상관 시간이 증가함에 따라 교차 완화율 상수가 양에서 음으로 바뀌어 0에 가까운 범위를 제공하는 반면, ROESY에서는 교차 완화율 상수는 항상 [17][18]양입니다.

ROESY는 때때로 "잠긴 스핀에 의해 에뮬레이트된 최소 분자에 적합한 교차 완화"(CAMelSPIN)[18]라고 불립니다.

해결된 스펙트럼 방식

상관 스펙트럼과는 달리 분해된 스펙트럼은 추가 피크를 추가하지 않고 1D-NMR 실험의 피크를 2차원으로 확산시킨다.이 방법들은 보통 J 분해능 분광학이라고 불리지만, 화학적 이동 분해능 분광학 또는 γ 분해능 분광학이라고도 한다.J 분해 스펙트럼이 각 핵에서 멀티플릿을 수직으로 다른 양만큼 변위시키므로 1D-NMR 스펙트럼에 중복 다중이 포함된 분자 분석에 유용하다.2D 스펙트럼의 각 피크는 분리되지 않은 1D 스펙트럼에서 가지는 것과 동일한 수평 좌표를 가지지만, 수직 좌표는 핵이 분리한 [19]1D 스펙트럼에서 가지는 단일 피크의 화학적 이동이다.

이종핵 버전의 경우 사용되는 가장 단순한 펄스 시퀀스는 뮐러-쿠마르-에른스트(MKE) 실험이라고 불리며, 이는 혼합 기간이 없는 준비 기간 동안 헤테로핵에 대해 단일 90° 펄스를 가지며 검출 기간 동안 양성자에 디커플링 신호를 적용한다.이 펄스 시퀀스에는 게이트 디커플러 방법 및 스핀 플립 방법의 범주에 속하는 보다 민감하고 정확한 여러 종류가 있습니다.동핵 J 분해 분광법은 스핀 에코 펄스 [19]시퀀스를 사용한다.

고차원적 방법

3D 및 4D 실험은 2D 실험 두 개 또는 세 개의 펄스 시퀀스를 직렬로 실행하여 수행할 수도 있습니다.그러나 일반적으로 사용되는 많은 3D 실험은 삼중 공명 실험입니다. 예를 들어 단백질 NMR에 자주 사용되는 HNCA 및 HNCOCA 실험이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Aue, W. P.; Bartholdi, E.; Ernst, R. R. (1976). "Two-dimensional spectroscopy. Application to nuclear magnetic resonance". Journal of Chemical Physics. 64 (5): 2229–46. Bibcode:1976JChPh..64.2229A. doi:10.1063/1.432450.
  2. ^ Martin, G. E; Zekter, A. S. (1988). Two-Dimensional NMR Methods for Establishing Molecular Connectivity. New York: VCH Publishers, Inc. p. 59.
  3. ^ Mateescu, Gheorghe D.; Valeriu, Adrian (1993). 2D NMR Density Matrix and Product Operator Treatment. Englewood Cliffs, New Jersey: PTR Prentice Hall.
  4. ^ Akitt, J. W.; Mann, B. E. (2000). NMR and Chemistry. Cheltenham, UK: Stanley Thornes. p. 273.
  5. ^ a b Keeler, James (2010). Understanding NMR Spectroscopy (2nd ed.). Wiley. pp. 184–187. ISBN 978-0-470-74608-0.
  6. ^ a b c 킬러, 190-191페이지
  7. ^ 아키트와 만, 페이지 287
  8. ^ 킬러, 페이지 199–203.
  9. ^ 킬러, 페이지 223–226.
  10. ^ "2D: Homonuclear correlation: TOCSY". Queen's University. Archived from the original on 27 September 2011. Retrieved 26 June 2011.
  11. ^ 킬러, 페이지 206–208.
  12. ^ 킬러, 페이지 208–209, 220.
  13. ^ Wu, Bin; Skarina, Tatiana; Yee, Adelinda; Jobin, Marie-Claude; DiLeo, Rosa; Semesi, Anthony; et al. (June 2010). "NleG Type 3 Effectors from Enterohaemorrhagic Escherichia coli Are U-Box E3 Ubiquitin Ligases". PLOS Pathogens. 6 (6): e1000960. doi:10.1371/journal.ppat.1000960. PMC 2891834. PMID 20585566.
  14. ^ a b c 킬러, 페이지 209–215.
  15. ^ a b 킬러, 페이지 215–219.
  16. ^ 킬러, 페이지 274, 281–284
  17. ^ 킬러, 페이지 273, 297–299
  18. ^ a b Nakanishi, Koji, ed. (1990). One-dimensional and two-dimensional NMR Spectra by Modern Pulse Techniques. Mill Valley, California: University Science Books. p. 136. ISBN 0-935702-63-6.
  19. ^ a b Schraml, Jan; Bellama, Jon M. (1988). Two-Dimensional NMR Spectrocopy. New York: Wiley. pp. 28–33, 49–50, 65. ISBN 0-471-60178-0.