固体核磁共振弛豫在高分子研究中的应用

本文综述了近年来固体核磁弛豫方法在高分子研究中的应用，共分５个部分加以介绍：（１）自旋－晶格弛豫过程；（２）在旋转坐标系中的＾１３Ｃ自旋－晶格弛豫过程；（３）交叉极化速率和旋转坐标系中的＾１Ｈ自旋－晶格弛豫过程；（４）自旋－自旋弛豫过程；（５）动态结构导致的线形变化。本文主要讨论磁性核的各种弛豫过程以及它们与分子结构和分子运动的关系。     

拉伸状态下弹性聚醚酯聚集态结构和分子运动的固体高分辨核磁共振研究

用固体高分辨核磁共振碳谱方法对不同拉伸比的聚醚酯嵌段共聚物的聚集态结构和分子运动进行了研究,发现共聚物中的聚四氢呋喃(PTMO)链段在拉伸比为2 0时开始就出现结晶,且结晶度和晶片厚度都随着拉伸比增加而明显增加,而样品中未结晶部分的高频分子运动随拉伸比的变化则不明显,拉伸导致的PTMO结晶主要发生在“纯”的PTMO非晶区.通过1 H自旋扩散实验,估算出在拉伸比为4 . 0倍时,PTMO非晶区与结晶区的界面层厚度为1 .1nm ,PTMO非晶区与硬段的结晶区的界面厚度约为3 .1nm .     

固体核磁共振定量表征方法及其在高分子结构研究中的应用

高分子材料拥有众多优良的特性,使其广泛应用于现代社会的生产、生活及高新科技等领域。对于高分子特性的研究离不开微观物理、化学结构的定量表征。在众多表征高分子结构定量信息的实验技术中,固体核磁共振（SSNMR）发挥着重要的作用。它可以定量表征高分子的化学结构、材料体系的相成分及共混组分等,从而实现了难溶高分子产物的结构鉴定,以及高分子微观物理、化学结构关联材料性能的研究。然而,传统的SSNMR定量方法（直接激发法,DD）往往需要耗费十几个小时甚至数天的实验时间。交叉极化方法（CP）虽然大大缩短了实验时间,却往往无法提供定量的信息。基于此,研究者们提出了多个定量CP的实验方法,同时满足了方法定量性和实验耗时短的需求。本文综述了传统SSNMR定量方法及几种定量的CP方法,简单介绍了每个方法的基本原理,并平行阐述了实验方法的应用范围及特点,通过部分实例展示了SSNMR定量方法在高分子材料领域的应用价值,为研究者研发新型的高分子材料提供可靠并有效的结构表征手段。     

固体核磁共振在高分子材料分析中的研究进展

简述固体核磁共振(NMR)技术的特点及其在高分子材料分析中的研究进展,着重介绍其在结构表征与反应进程监视、材料机械性能测定、动力学过程及多组分高分子材料研究中的主要方法。     

固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用

基于核自旋探针的核磁共振(NMR)波谱技术可以在非常宽广的时间和空间尺度上提供重要的微观结构和动力学信息.固体NMR已成为阐明高分子中化学键变化、链间相互作用、多尺度结构与动力学演化,及其与宏观物理化学性质关系的有力工具.本文从基础原理、实验方法与技巧、典型应用与研究进展等几方面进行简要综述.在基础原理部分介绍了化学位...     

用固体核磁共振和电子能谱研究我国高硫煤的结构

用固体ＮＭＲ和ＸＰＳ技术研究了我国三种（广西合山煤、湖南辰溪煤、浙江长广煤）高硫煤的结构特征。由固体ＮＭＲ测试结果计算出煤的十二种结构参数和芳香簇团的大小，获得了三个样品的结构特征及变化规律，由ＸＰＳ测试结果得到了煤中各种不同形态硫、氮的结合能数值。根据前入所做的模型化合物的结果，得知三咱煤中硫元素主要以噻吩硫形态存在，氮元素主要以吡啶和中的形态存在。     

固体酸催化剂结构与催化反应机理的核磁共振研究

Solid acid catalysts have been widely used in advanced petrochemical processes because of their environmental friendliness, high product selectivity, and easy product separation. Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a well-established tool for structure determination and dynamic study of various functional materials. In this review, we focus mainly on our research using solid-state NMR to characterize the acid properties and elucidate the catalytic reaction mechanism of solid acid catalysts. The acid strength of solid acids can be quantitatively measured from the chemical shifts of adsorbed probe molecules such as pyridine, acetone, trialkylphosphine oxides, and trimethylphosphine. The spatial proximity and synergetic effect of various acid sites on solid acid catalysts can be ascertained by two-dimensional (2D) double-quantum magic angle spinning (DQ MAS) NMR spectroscopy. Additionally, in situ solid-state NMR spectroscopy can be used to explore heterogeneous catalytic reaction mechanisms by monitoring the evolution of the reactants, intermediates, and products.     

乙烯-丙烯酸共聚物非晶区结构和分子运动的固体核磁共振研究

利用固体高分辨1 3CCP MAS和变温固体质子宽线技术对乙烯 丙烯酸共聚物 (EAA)非晶区的结构和分子运动进行了研究 ,结果发现 ,非晶区中羧基之间可以形成氢键 ,其数量随着共聚物中丙烯酸共聚单体含量的增加而增加 ,使得共聚物中非晶区分子运动能力随非晶区相对含量的增加而减弱 ,这是一种与一般的乙烯共聚物相反的变化趋势 .通过交叉极化方法间接测量了非晶区中乙烯链段的1 H自旋 自旋弛豫时间 (T2 ) ,表明非晶区中乙烯链段的运动同样受到氢键的束缚 .随着温度的升高 ,羧基之间的氢键发生解离 ,非晶区的柔性增强     

High-Resolution 14N Solid-State NMR Spectroscopy

Even without expensive isotope enrichment, it is possible to obtain nitrogen NMR parameters in the solid state. The isotropic chemical shifts in hexagonal and cubic boron nitride, and for the hexagonal modification also the quadrupole coupling, can thus be obtained for the first time. The recorded ¹⁴N MAS NMR spectrum (28.809 MHz) of hexagonal boron nitride is shown on the right.     

基于固体核磁共振方法的蛋白质组装体三维结构解析

蛋白质组装体广泛存在于生物体内,具有相关生物学功能或与人类的重要疾病密切相关。蛋白质组装体分子量大,通常难以溶解和结晶,限制了常用的结构研究手段如X射线晶体学和液体NMR等在其高分辨三维结构解析中的应用。固体核磁共振技术(ssNMR)在难溶、非结晶样品的三维结构解析中具有独特的优势,尤其随着固体NMR硬件包括高场磁体和高性能的探头、固体NMR多维脉冲实验技术和样品制备技术特别是同位素标记技术的快速发展,固体NMR已经成为了蛋白组装体三维结构解析的重要手段。在样品制备方法方面,强调了样品制备条件的优化对得到构象均一样品的重要性,以及丰富的同位素标记方法的使用对固体NMR谱图分辨率提高的重要作用。同时多种脉冲序列如质子驱动自旋扩散技术(PDSD),偶极辅助旋转共振技术(DARR),质子辅助重偶技术(PAR)或转移回波双共振技术(TEDOR)等的建立和发展为结构约束条件收集提供了基本的技术方法。此外,固体NMR与其它实验技术如扫描透射电镜(STEM),冷冻电镜(Cryo-EM)等和理论模拟方法的联用能显著地提高固体NMR的能力,从而能解析分子量更大、结构更复杂的蛋白质组装体的三维结构。本文以Aβ纤维和T3SS针状体的三维结构解析为例介绍固体NMR在蛋白质组装体结构研究的最新实验方法,重点介绍最新的距离约束条件获取的实验方法进展,以及固体NMR与其它实验和理论模拟研究手段的联用在蛋白质组装体结构解析上的最新进展,期望有助于读者对固体NMR技术在蛋白质组装体的三维结构解析方面的研究进展有所了解。     

Encapsulation of Indomethacin in PVP: Solid-State NMR Studies

Summary: ¹³C solid-state NMR and ¹H relaxation time measurements have been used to determine the structure of the crystalline and amorphous forms of the pharmaceutical drug indomethacin. Cross-polarization dynamics parameters were calculated for individual NMR resonances providing an insight into the mobility of functional groups in two forms of indomethacin. The changes of mobility in indomethacin/polyvinylpyrrolidone (PVP) formulation have been investigated via¹H-¹³C solid-state NMR methods. Differences between the amorphous material and its crystalline counterpart have been observed. The γ-amorphous indomethacin rapidly crystallizes with time. It has been shown that encapsulation in the PVP stabilizes the amorphous form of the drug by preventing crystallization due to reduced mobility of the guest in the formulation.     

固体核磁共振在介孔分子筛研究中的应用

介绍了强功率质子去耦、交叉极化、魔角旋转等同体高分辨核磁共振技术的原理,综述了固体高分辨核磁共振技术在介孔分子筛结构与形态研究中的应用及近年来的发展情况.     

固体NMR研究PAA/PEO共混物中氢键相互作用与结构演化

分子间相互作用是决定材料结构和性能的关键因素之一,而如何在分子水上实现对复杂相互作用分子的检测仍然是一个挑战性课题。本工作首先在不同p H值条下以聚丙烯酸/聚环氧乙烷(PAA/PEO)的混合水溶液制备了系列的固体薄膜,然后采用多种基于连续相调制多脉冲技术的一维和二维~1H多脉冲去耦(CRAMPS)固体NMR新技术,并结合高分辨~(13)C交叉极化魔角旋转(CPMAS)、~(23)Na多量子(MQ)等多核固体NMR实验,对PAA/PEO聚合物共混物的微观结构和动力学进行了原位和系统的研究。通过不同类型的~1H高分辨CRAMPS实验检测到共混物中包含多种不同类型质子:通过氢键相互作用形成二聚体的COOH基团、自由COOH基团、与水结合的COOH基团和主链基团。随着p H值的升高,除主链质子外,大部分其它区域的信号都明显降低,这是由于PAA与PEO以及水的氢键作用减弱所致。这些CRAMPS NMR技术也被用来阐明不同p H值制备的样品中不同基团的分子运动性。此外,二维~1H-~1H自旋交换NMR实验提供了关于聚合物PAA与PEO大分子链间、以及水与聚合物的相互作用。~1H自旋扩散实验表明,在这些共混物中明显存在相微观相分离的结构,并且测定的分散相区尺寸约为17 nm。~(23)Na MQMAS实验揭示了在共混物中存在两种类型~(23)Na位,一种是自由的钠离子,另一种是与大分子相互作用的Na离子。特别是通过~1H-检测的~(23)Na-~1H CPMAS实验揭示了Na~+离子的位置远离PEO而与PAA临近。上述这些SSNMR实验结果在分子水平上提供了氢键相互作用对PAA/PEO共混物微观结构和动力学影响的详细信息,可以获得不同p H值对PAA与PEO的氢键作用、相容性、微观结构、水-聚合物相互作用和不同组分分子运动性的影响。在上述核磁共振研究的基础上,我们提出了一种新的PAA/PEO共混物的结构模型,该模型首次成功地揭示了不同的p H值对PAA/PEO共混物中微观结构和动力学的影响。本工作清楚地表明,固态核磁共振是在分子水平上研究具有复杂相互作用的多相聚合物材料的有力工具。本文的研究工作对于探索检测聚合物弱相互作用的新方法和发展基于氢键相互作用的聚合物新材料的开发具有重要意义。     

Solid-State NMR Studies of Polysaccharide Systems

Summary: Two polysaccharide systems were studied by solid-state NMR methods: (i) Chitin/glucan complexes. The ¹³C NMR spectra have shown that in samples isolated from the mushroom Pleurotus sp., the glucan content was always higher in stems than in pilei. While carbonyl lineshape in complex isolated from Aspergillus niger mycelium shows similar hydrogen bonding as in neat chitin, a significantly higher amounts of hydrogen bonding between carbonyl groups of chitin and hydroxy groups of glucan was found in complexes isolated from Pleurotus sp. (ii) Biodegradable starch/polycaprolactone (PCL) blends. From the relaxation times T₁(H) and T_1ρ(H) it follows that blends starch/PCL, starch/ester oligomers and starch formate/ester oligomers are phase-separated even on the scale 20–110 nm. On the contrary, starch formate/PCL blend is phase-separated on the scale 1–9 nm but homogeneously mixed on the scale 20–90 nm. Therefore formylation of starch significantly improves its miscibility with PCL.     

面向金属离子电池研究的固体核磁共振和电子顺磁共振方法

电池,尤其是锂离子电池的快速发展极大改变了我们的生活。从移动电子设备到新能源汽车再到电网储能,电池应用于多个领域且目前在能量密度和功率密度方面难以被取代。电池技术的向前发展要求我们对其电化学反应机理有完整的认识,这需要来自不同领域研究人员的交叉碰撞。磁共振波谱技术包括核磁共振波谱(NMR)和电子顺磁共振波谱(EPR),前者适合于研究Li、Na、P、O等电池材料中常见的轻元素,后者适合于研究Co、Mn、Fe、V等电池材料中常见的过渡金属。加上它们具有对样品无损、对结晶度无要求、能够定量分析等优点,NMR和EPR在过去三十年的电池研究中不断进步,日益成为电池表征的重要角色。本文从磁共振方法的角度出发,首先概述了固体NMR和EPR中的主要相互作用及其哈密顿表达形式,接着概述了固体NMR和EPR常用的重要方法及其在金属离子电池研究领域的代表性应用。本文有助于让我们直观地了解磁共振技术本身在金属离子电池研究领域的重要价值,并有望为解决利用固体NMR和EPR进行电池研究的过程遇到的困难提供指导。     

锂离子电池电极材料固体核磁共振研究进展

对于研究材料的结构变化和考察原子所处的化学环境，固体核磁共振技术是一种有效的手段。通过⁶Li和⁷Li核磁共振谱的变化，可以清楚地了解锂离子电池电极材料中Li与邻近金属或碳原子的配位情况及在充放电过程中对应于锂离子嵌/脱过程中材料的结构变化，对于研究电极材料的电化学性能有重要的意义。本文综述了固体NMR技术在研究锂离子电池电极材料的结构及嵌锂机理方面的一些进展。     

Silicalite-1分子筛氢键诱导晶化机制的固体核磁共振研究

The flexible chemical composition of the frameworks with tunable pore size and geometry of molecular dimensions makes zeolites widely used in chemical and petrochemical industry fields. The understanding of crystallization mechanism is important for a rational design of new zeolite with target structure and property, which however is still a big challenge in the field of material science. In this work, the specific spatial correlations/interactions between the SiO^-···HO―Si hydrogen bonds within the charged framework of silicalite-1 (MFI topology) zeolite and the alkyl chains of tetrapropylammonium ion (TPA⁺) organic structure direction agents (OSDAs) were studied by one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) solid state-NMR spectroscopy in combination with other techniques, with the aim to shed light into the crystallization mechanism of silicalite-1. The "solvent-free" route was used to study the crystallization process. Silicalite-1 crystals were also prepared following the hydrothermal synthesis route. The structural properties of as-synthesized TPA-silicalite-1 samples during the crystallization were characterized by XRD and scanning electron microscopy (SEM) images, which showed the evolution of long-range periodic structure and cyrtal growth. The ¹H-²⁹Si CP/MAS NMR experiments showed that the reorganization of the silica or silicates occurred in the crystallization process. The ^lH-¹³C CP/MAS NMR experiments performed on the samples synthesized with different time indicated that the TPA⁺ ions in the amorphous samples experienced a constrained environment, forming the inorganic-organic composites. The splitting of the methyl carbon signal from TPA⁺ ions was observed in the ¹³C NMR spectra, which is the direct reflection of the interactions between the methyl groups and the silicate framework in the straight and zig-zag channels of silicalite-1. Two types of SiO^-···H―OSi hydrogen bonds (SiO^-···H―OSi hydrogen bond in-cage and SiO^-···H―OSi hydrogen bond between lamellae) have been identified by 2D ¹H double quantum (DQ)-single quantum (SQ) MAS NMR and ²H MAS NMR during the crystallization of silicalite-1. The SiO^-···H―OSi hydrogen bonds between lamellae are formed and gradually transformed into the in-cage ones during the crystallization process. Their functions have been revealed in the formation of silicalite-1: the SiO^-···H―OSi hydrogen bond in-cage provides the stereoscopic counterbalance for the positive charges from TPA⁺ ions and this stereoscopic electrostatic interaction is the key factor to transform inorganic-organic composites with the MFI structure property, even though the long-range periodic MFI structures have not been established yet; the SiO^-···H―OSi hydrogen bond between lamellae acts as a connector to assemble the silicate species together to generate the zeolite framework. ²H MAS NMR spectra show that the SiOH nests exist in the zeolite framework even though the long-range periodic structures have been fully established.