NMRのプローブと測定（Bruker編）

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化学者のつぶやき

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有機化学者にとって液体NMRは必須のアイテム。ケムステの読者の皆様も毎日のように使っておられると思います。しかし、NMRは多くの情報を与えてくれるかわりに、MSなどと比べ、かなり感度の悪い測定として知られています。今回は液体測定の際に、どのプローブを装着したマシンを使うべきかについてのお話です。一般的なNMRのお話についてはこちらやこちらをご参照ください。

はじめに

ほとんどの簡単な化合物は長時間の測定を必要とする¹³Cや2Dが必要となりませんが、全合成の最終段階の化合物や、1-2 mgでの条件検討の際に生成したジアステレオマーの立体の決定など、時にdemandingな測定が要求される場合があります。

そんな場合に、重要となるのがプローブとマグネットの選択です。もちろん、研究室には一択しか無いという場合もありますが、大学もしくは研究科には共用機器として、複数のプローブを備えたNMRが置いてあることが普通です。用途に合わせて測定すると、短時間に綺麗なデータを得る事ができるので、それぞれのマシンやプローブの特徴を知った上で積極的に利用しましょう。

マグネットの選択

良いデータを取りたいと思った場合は、高磁場のNMRを使うと一般的に良いとされています。例えば、ルーティーンのNMRは普通300 MHzや400 MHzが普通ですが、よりよいS/N比が要求される場合、500 MHzや600 MHzのものを使うとより感度良く、綺麗なデータが得られます。また、カップリングによりピークどうしの重なりが邪魔で解析できない際も、磁場強度の違うマシンを使うとうまく解析できる場合もあります。もちろん、溶媒を変えるという選択肢もありますが。

（上図）40年前に報告されている60 MHzのNMR spectrum (in CDCl₃); （下図）筆者が最近500 MHzで測定した同じ化合物のNMR spectrum (CD₃OD)。昔の天然物化学者が上図のようなbroadなNMRデータで化合物の構造を推定していたのかと思うと、頭が下がりますね。

分光計の選択

また、分光計も新しいものがよいとされています。現在、Avance I, II, III に加え最新型のAvance Neoのどれかを使っておられる方が多いと思われますが、より新しい分光計の方がより綺麗なデータを得る事ができます。

個人的にはAvance IIに比べAvance Neoの方が圧倒的にShimmingやTuning & Matchingがかなり早くなった気がしますが、スペクトラのS/N比はそれほど変わらん。。。という印象です。

最近リリースされた最新モデルの分光計（Brukerのサイトより）

プローブとシグナルの強度

NMRのシグナル強度はサンプルとcoilの距離6乗に反比例する事が知られています。コイルとサンプルの距離は近いほどより精度の高い有用な情報が得られるため、より良いデバイスの開発が日々行われています。現在利用されているプローブのコイルは二種類あります。その一つは内側に、もう一つは外側についており、そのそれぞれに¹H, ¹³C, ¹⁹F,³¹Pなどの核種をアサインするようになっています。外側にアサインされた核種を測定する場合、内側にアサインされた核種に比べて感度が落ちてしまいます。

Cryo-TCIプローブ。四角い箱からちょこっと出ているモノがマグネットにささります　（Brukerのwebsiteより）

ルーティーンのプローブ

ルーティーンのプロトン測定にはそれほど感度が必要とされないので、BBFO (Broad-Band Fluorine Observe)やBBO (Broad-Band Observe)、QNP (Quattro Nucleus Probe ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P)などといったプローブが汎用されています。これらのプローブは¹Hがouter coilに設定されているので、実は¹Hに向きません。その代わり、inner coilに例えば、相対的に¹Hと比べ感度の低い¹³Cを設定する事ができるので、¹³Cを効率的に測定する事ができます。そのため例えば、400 MHzのBBOと500 MHzのBBIを比べると、後者の方が磁場強度が強いのにも関わらず、前者の方が綺麗な¹³Cを得る事ができます。

その他よく使われるプローブ

BBI (Broad Band Inverse)やTXI (Triple Resonance X1+ X2 Nucleus Decoupling Inverse)は内側coilが¹Hに設定されているので、¹Hや2Dの測定に適しています。BBIで¹Hや2Dを測定した場合、BBOやQNPに比べて圧倒的に良いS/N比を得る事ができます。特に、decoupleする核種が二つ存在する場合、例えば¹³Cと¹⁵N、TXIが役立ちます。

TCI (Triple Resonance Inverse)は、簡単に言えば、内側のcoilと外側のcoilのアサインとは無関係に、¹³C、¹H、¹⁵N全ての核種において感度良く測定できるプローブです。TCIはTXIに比べて¹³Cに対する感度が向上したプローブと考えることもできます。最近ではそこに¹⁹Fを追加したQCIなども販売されています。

クライオプラットフォーム

クライオプローブ (CryoProbe)とは、簡単には、プローブ（NMRシグナルのdetector）を構成するcoilとその周辺部分を液体ヘリウムで冷やすことで、熱雑音によるnoiseを抑えsignalをより感度良く拾うために開発されたプローブ方式です。詳しい話はこちらとこちら。一般にクライオプローブを使うことにより、常温プローブに比べて5倍程度の感度の向上が期待できます。気化したヘリウムはマグネットの隣に設置した、コンプレッサーで再度液化、循環する事ができるので、消耗も最小限に抑える事が可能です。

マシンによっては、液体窒素で代用するといった方式を採用しているものもあります (CryoProbe Prodigy)。もちろん、液体窒素を用いる場合、液体ヘリウム方式に比べコンプレッサーの導入もいりませんし、導入コストは下がりますが、液体ヘリウムで冷やすほどは良いS/N比を得る事はできません。一般に、常温プローブと比べて2 – 3倍程度の感度の向上が期待できます。

測定例、化合物量0.5 mg、分子量約650、500 MHz, cryo-BBO, Auto-Shim-Tuning Matching、4000 scanでこのようなスペクトラが取れます。ちなみに常温プローブなんかだと同じだけscanしてもノイズのみとなります。

おわりに

適切なプローブを使えば、かなり厳しい測定でもいい結果が得られるようになってきました。どの種類のプローブが自分がよく使っているNMRに付いているかはマグネットの下側を見ればすぐに分かります。これを機に、自分のよく使うマシン以外にも研究科にどのような機器があって、どのマシンを使えば良いデータが得られるか、知っておくのもより効率的な実験をする助けになるかと思います。

また、どのマシンが有効か知っておけば、例えば、500 MHzのCryo-TCIを使えばものの30分で測定できるのに、予約で一杯の500 MHzのBBIで¹³Cを一日中測定して、研究室内外からバッシングを食うなんていうことも防げるかと思います。

JEOL使いの皆様、私はプローブなどに関してよく分からんのでケムステメンバーの誰かが同様の記事を書いてくれることを願ってお待ちください。

補足

¹³C NMRのS/N比が不足していてお困りの皆様、パラメーターのacquisition timeを下げてやるとS/N比が改善する場合もあります。大抵私はaq = 1.0 sぐらいの数値を使っていますが、マシンによってはaq = 0.8ぐらいで設定されていることもあります。例えば¹³Cの場合、aq = 2.0 sなどで測定するとFIDのテールの部分はほぼノイズなので、FTしたときにS/N比が悪くなります。もちろん、aqは短ければ良いというものでも無いので、パラメーターの設定は分子次第です。¹Hの場合はaq = 2.3−2.5 sあれば十分です。あまりにも値が小さすぎると、integralが正確に出ませんのでご注意。(ちなみにquant NMRの場合はこの値をかなり長くすることで、完全にシグナルを拾えるようにしています。)