高分解能固体NMRをデスクトップで

High resolution solid-state NMR on the desktop.

抄録

高分解能低磁場核磁気共鳴(NMR)分光法は、最新の永久磁石の維持費が安いため、液体化合物の特性評価に広く応用されている。これまでのところ、固体NMRは、この種の磁石で利用できるスペースが限られているため、静的な粉末の低分解能測定に限られている。マジックアングルスピニングと低磁場は、特に常磁性固体に対して高いスペクトル分解能を達成するための魅力的な組み合わせである。ここでは、マジックアングルスピニングモジュールを3Dプリンティング技術を用いて小型化することで、永久磁石を用いた高分解能固体NMRが可能になることを示す。提案する円錐形ローターの設計は有限要素計算を用いて開発され、20kHz以上の試料回転周波数を提供する。このセットアップは、常磁性電池材料を含む様々な反磁性および常磁性化合物でテストされた。これまでに知られている低コスト磁石を用いた同等の実験は、電磁石を用いたマジックアングルスピニングの初期に、はるかに低い試料スピニング周波数で行われたものだけである。我々の結果は、高分解能低磁場マジックアングルスピニングNMRが高価な超伝導マグネットを必要とせず、常磁性化合物の高分解能固体NMRスペクトルが実現可能であることを示している。一般的に、これはルーチン分析ツールとして、豊富な核標準のための低磁場固体NMRを導入することができる。

High-resolution low-field nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has found wide application for characterization of liquid compounds because of the low maintenance cost of modern permanent magnets. Solid-state NMR so far is limited to low-resolution measurements of static powders, because of the limited space available in this type of magnet. Magic-angle sample spinning and low-magnetic fields are an attractive combination to achieve high spectral resolution especially for paramagnetic solids. Here we show that magic angle spinning modules can be miniaturized using 3D printing techniques so that high-resolution solid-state NMR in permanent magnets becomes possible. The suggested conical rotor design was developed using finite element calculations and provides sample spinning frequencies higher than 20 kHz. The setup was tested on various diamagnetic and paramagnetic compounds including paramagnetic battery materials. The only comparable experiments in low-cost magnets known so far, had been done in the early times of magic angle spinning using electromagnets at much lower sample spinning frequency. Our results demonstrate that high-resolution low-field magic-angle-spinning NMR does not require expensive superconducting magnets and that high-resolution solid-state NMR spectra of paramagnetic compounds are feasible. Generally, this could introduce low-field solid-state NMR for abundant nuclei standard as a routine analytical tool.