高温高压原位魔角旋转核磁共振波谱学

摘要

固体、液体、气体及混合物的分子结构与动力学特性在多个科学领域中具有重要研究价值。高温高压原位魔角旋转核磁共振（MAS NMR）技术能够在严格控制的化学环境中，检测多相体系中各组分的化学环境。

摘要

核磁共振（NMR）波谱法是一种用于理解分子结构及其化学键环境的重要技术。目前迫切需要在与目标化学过程相关的条件下对材料进行表征。为满足这一需求，已开发出原位高温高压魔角旋转（MAS）NMR方法，可在较宽的压力范围（从真空至数百巴）和温度范围（远低于0 °C至250 °C）内观测化学相互作用。此外，样品的化学形态可以是固体、液体、气体，或三者任意组合。该方法采用全氧化锆NMR转子（MAS NMR的样品 holder），并通过螺纹帽压缩O型圈实现密封。这种转子具有优异的化学稳定性、良好的温度适应性、低NMR背景信号，并能耐受高压。这些综合优势使其适用于多种体系组合，因而可广泛应用于碳封存、催化、材料科学、地球化学及生物学等领域。该技术的灵活性使其成为来自多个学科领域科研人员的理想选择。

引言

样品的光谱分析是一种分析工具，用于获取有关目标材料的宝贵信息，例如其化学状态、结构或反应性。从简化的角度来看，核磁共振（NMR）就是一种利用强磁场调控原子核自旋状态的技术，以更深入地理解目标物种的化学环境。核自旋状态指的是由带正电的原子核旋转运动所诱导的磁矩的相对方向。在没有外加磁场时，核自旋是随机取向的；而在存在磁场的情况下，核自旋倾向于与磁体的外磁场方向对齐，处于较低能量的自旋状态。这种自旋状态分裂为离散能级的现象称为塞曼效应。这些能级之间的能量差（ΔE）可用公式1表示：

其中 h 为普朗克常数，B₀ 为外加磁场的强度，γ 为原子核的旋磁比。这些自旋所处的化学环境也会对能级产生微小扰动。使用相应频率的无线电波可激发原子核，导致纵向磁化（基于平行与反平行自旋态的布居数）降低，同时自旋获得相位一致性，从而产生横向磁化。当原子核持续围绕磁场轴进动时，旋转的磁矩会产生一个同样旋转的磁场，并进一步感应出电场。该电场调制核磁共振检测线圈中的电子，从而产生核磁共振信号。样品中原子核化学环境的微小差异会影响在线圈中检测到的频率。

固体样品的核磁共振（NMR）分析比液体样品更为复杂。在液体中，分子快速翻滚，使得核周围的化学环境在空间上被平均化。而在固体样品中，这种平均效应并不存在，导致化学环境具有取向依赖性，并在NMR信号中产生较宽的谱线。为克服这些挑战，常采用一种称为魔角旋转（magic angle spinning, MAS）的技术^1,2。在MAS NMR中，样品通过外部旋转装置以相对于外加磁场54.7356°的角度高速旋转（数kHz），以消除NMR中与取向相关的（各向异性）相互作用。该方法通过对化学位移各向异性、偶极相互作用和四极相互作用中的取向依赖项进行平均，显著收窄NMR谱峰，提高谱图分辨率。然而，MAS NMR的谱线收窄能力仍存在两个显著限制。其一是¹H NMR中有时存在的强同核耦合，需高达约70 kHz的旋转速度才能消除。然而，在高温应用中，显著升高的温度会通过增强分子热运动而大幅抑制¹H同核相互作用，因此可采用低得多的样品旋转速率，仍实现显著提升的谱图分辨率。此外，随着技术的持续发展，现已可制备直径更小的转子，实现远超5 kHz的旋转速度，进一步抑制¹H同核偶极相互作用。第二个限制是自旋大于1/2的核所存在的残余二级四极相互作用，因为在魔角下仅能消除一级项，残留的复杂谱线形状只能通过更强的外加磁场进一步改善。需要强调的是，二维多量子魔角旋转（2D MQMAS）技术可方便地整合到现有技术中，从而以类似于标准MQMAS实验的方式获得真实的各向同性化学位移谱³。

固体材料的详细表征得益于魔角旋转核磁共振（MAS NMR）技术的发展，显著提升了观测质量。然而，该技术要求样品在核磁共振转子（即样品 holder）中高速旋转，这为在高温高压条件下开展实验带来了挑战，而这些条件可能更接近实际关注的环境。有时，人们希望在对核磁共振转子而言较为严苛的条件下研究材料。已有若干研究成功地将液态核磁共振技术改造用于高温高压核磁共振实验。^4,5,6,7然而，用于固态魔角旋转核磁共振（MAS NMR）的商用转子帽在高压下可能从转子中弹出，导致设备严重损坏。若研究的分解反应会显著增加样品 holder 内的压力，则此类风险将进一步加剧。因此，亟需新的设计以安全有效地开展原位 NMR 实验。例如，转子必须具备多种适用于 MAS NMR 的特性，包括无磁性、轻质、耐用、耐温、低 NMR 背景信号材料、可密封、高强度以及耐化学腐蚀性。转子所需承受的压力相当高，不仅需耐受样品内部产生的压力（如高压气体），还需承受设备旋转所产生的离心力，该力亦对系统总压力有显著贡献。⁸，P_T, 由公式2：

R_我 和 R_O 分别为内转子和外转子的半径，ω 是以弧度每秒为单位的旋转频率，P_s 是样品压力。

针对上述问题，已开发出多种策略⁹。早期的设计类似于火焰密封管^10,11,12或聚合物插件^13,14，但这些设计在高温高压条件下长时间进行精细控制操作时表现不足。转子设计的多次改进仍受限于环氧材料所导致的最高工作温度限制，或陶瓷插件引起的样品体积减小^8,15,16。最近的一项技术通过在商用转子套筒中采用简单的卡扣结构来降低单元生产成本，但在运行条件的可控性方面相对较低¹⁷。本文所采用的设计是一种全氧化锆材质、洞穴式结构的转子套筒，其顶部经铣削加工成螺纹结构¹⁸。配套的盖帽亦带有螺纹，可实现牢固密封。反向螺纹设计可防止样品旋转时导致氧化锆盖帽松动，密封则由O形圈完成。该转子设计如图1所示，类似转子及其制备方法已有专利保护¹⁹。此类设计可实现高机械强度、耐化学腐蚀性和耐高温性能。

这些设计适用于至少 250 °C 和 100 bar 的温度和压力条件，其温度上限受限于现有易获得的核磁共振（NMR）探头技术。当与专用的样品制备设备结合使用时，该技术成为一种功能强大的分析手段，已被广泛应用于碳封存、催化、能量存储和生物医学等广泛领域²⁰。此类设备包括用于预处理固体材料以去除不需要的表面物质（如水）的装置，通常使用高温炉完成此步骤。通常采用手套箱将固体样品装入 NMR 转子中。随后，将转子转移至一个暴露装置中，该装置可在严格控制的气氛下打开转子，以便将所需气体或气体混合物装入转子内。这种装置如图 2所示。

方案

该方案分为四个部分，分别说明：1）系统中所用固体材料的制备，或对吸附的杂质物种进行活化与清除；2）将固体和液体材料加入NMR转子中；3）向转子中引入气体；4）在波谱仪中进行NMR实验。本操作流程代表了一种典型顺序，可根据具体实验需求进行调整。

1. 固体样品的预处理

1. 称取约两倍于核磁共振（NMR）实验所需质量的固体样品（对于7.5 mm转子，约为250 mg），并将固体样品装入用于在炉系统中处理材料的石英样品管中，用石英棉塞住管口以固定样品。
2. 将隔离阀连接至固体处理系统：1）气体流动系统，或 2）真空系统，方法是将样品管插入冷态炉中并拧紧连接处。
3. 将石英管的一端（或两端）连接至处于开启状态的气体隔离阀上。
4. 开始处理。
   1. 对于流动系统：
      1. 将热电偶固定在管外壁，并使用耐高温材料将其固定。
      2. 开始通入处理气体（例如，100 sccm的N₂），以清除固体表面或活化材料。
   2. 或者，对于真空系统：
      1. 关闭通向真空系统的隔离阀，并启动真空泵。
      2. 当达到完全真空后，非常缓慢地打开隔离阀，使样品处于真空状态，期间需周期性暂停，以使系统达到平衡。持续操作直至阀门完全打开。
5. 开启炉温控制器，并设置所需的升温程序（例如，以5 °C/min的升温速率升至300 °C，并保持4小时）。
6. 启动温度程序并使其运行。
7. 程序结束后，让样品冷却至可操作的温度。
8. 关闭温度控制器，并停止气体流动或抽真空。
9. 迅速用隔离阀密封样品，以维持所需的样品环境。
10. 将石英管从处理系统上拆下，并将管子及关闭的阀门转移至干燥、经N₂吹扫的手套箱的前室中。
11. 对手套箱前室至少进行4次抽真空-充气循环，然后将样品管转移至手套箱内部。

2. 将固体样品装入核磁共振转子

1. 称量洁净且空的高温高压核磁共振转子及其转子帽。
2. 将NMR转子放入支架中以保持方向性。
3. 将样品漏斗放入转子的孔中。
4. 从样品管上拆下隔离阀，并将少量固体材料倒入漏斗中。
5. 用压粉棒轻敲将粉末送入漏斗，并根据需要轻轻将其导入转子中。
6. 重复逐步添加固体材料，直至达到所需量（例如，½ 个转子）。
7. 称量装有样品的核磁共振转子（及盖子），以确定所加入样品的量。
8. 必要时，用微量注射器吸取一定量的液体样品，缓慢注入NMR转子中心。
9. 将转子盖旋至转子顶部，并使用转子盖扳手逆时针旋转，使转子与盖之间的O形圈密封。注意，新的O形圈可能需要 需定期检查以防止泄漏，尤其是在使用化学腐蚀性混合物或氢气等小分子气体时。
10. 称量NMR转子以确定所加样品的总质量。

3. 在所需条件下向核磁共振转子中加入目标化学品

1. 将密封的核磁共振（NMR）转子放入转子支架中，确保支架插件的尺寸与转子尺寸匹配，并用手拧紧螺母以固定转子。请注意，此步骤中转子在支架中的紧密程度将决定帽盖密封的紧密性。
2. 将转子支架缓缓放入高压暴露装置的下部区域。
3. 使用内六角扳手将其中一个螺钉旋转90°，以将转子支架固定在暴露装置底部。
4. 将NMR装样装置的上部组件对准并放置在下部组件之上，使NMR帽盖驱动头与NMR转子帽盖顶部对齐，确保其正确啮合。
5. 将两个夹具放置在暴露装置上下部分接合处的凸缘顶部，并将其扣紧固定。
6. 拧紧暴露装置上部组件顶部的6个螺栓，以压紧密封面，确保上下部分之间的密封。
7. 将NMR暴露装置的上部组件连接至气体进气口和出气口管路。
8. 将NMR暴露装置上部组件上的热电偶连接至温度传感器。
9. 如需要，可将加热带缠绕在气体管路及暴露装置上部组件周围，以便通过相应的控制器进行加热。也可使用加热板辅助加热。
10. 确保暴露室出气口处于打开状态且气源阀门关闭，启动真空泵以清除暴露装置及其相关管路中的空气。
11. 使用目标气体或惰性气体对管路进行吹扫，反复进行三次抽真空至常压的循环，以确保管路中的空气被彻底清除。
12. 准备所需气体组分，可通过以下两种方式之一实现：1）高压输送系统，或 2）流动系统，用于在指定压力下引入蒸气。
    1. 对于高压或真空条件下的样品制备：
       1. 关闭暴露装置的气体出口，并将气体歧管阀门设置为旁路液体注入管线。
       2. 在高压输送系统的高压注射泵上设定所需压力。
       3. 打开高压注射泵上的气源阀门，并运行泵的预设程序，同时监测暴露装置内部的实际压力。
       4. 当暴露装置内部达到所需压力后，停止注射泵并关闭气源阀门。
       5. 顺时针旋转外部螺杆机构，打开NMR转子（该机构与内部NMR帽盖驱动头相连）。
       6. 使所需压力的气体进入NMR转子，并使其达到平衡状态。
       7. 逆时针旋转外部螺杆机构，重新密封NMR转子。观察窗有助于判断转子是否已完全关闭。
       8. 缓慢打开暴露装置的气体出口阀，逐步释放系统压力。
    2. 对于流动气体或蒸气条件下的样品制备：
       1. 确保暴露装置的气体出口处于打开状态，以防止系统过压。
       2. 在质量流量控制器上设定所需气体流速，并开始通入气体。
       3. 将液体注射泵的供液管线连接至气体歧管。
       4. 调节气体歧管阀门，使气流通过液体注入管线。
       5. 在液体注射泵上设定适当的液体流速，以达到所需的蒸气压，并开始注入液体。
       6. 顺时针旋转与内部NMR帽盖驱动头相连的外部螺杆机构，打开NMR转子。
       7. 让系统在NMR转子内部达到所需气体压力并平衡后，逆时针旋转外部螺杆机构，重新密封NMR转子。观察窗有助于判断转子是否已关闭。
       8. 停止液体注射泵的注入操作，调节阀门使其旁路液体注入管线，并将泵从系统中断开。
       9. 停止气体流动。
13. 使用惰性气体对系统进行吹扫，以清除任何可能存在的有毒或易燃气体。
14. 关闭所有加热装置，并让系统自然冷却至室温。
15. 断开加热带和热电偶的连接。
16. 断开进气和出气气体管路。
17. 松开暴露装置顶部的6个螺栓，以解除密封状态。
18. 解开两个夹具并将其从暴露装置上移除。
19. 小心地将上部组件从下部组件上垂直提起并取下。
20. 使用内六角扳手松开转子支架，并通过螺纹杆将其向上提起。
21. 松开转子支架上的螺母，将转子从装置部件中取出。
22. 称量转子，以确认其中含有目标气体的预期量。

4. 进行魔角旋转核磁共振实验

1. 将NMR转子放入NMR探头的NMR线圈中。
2. 将探头升入磁体孔径并固定到位。
3. 使用魔角旋转（MAS）控制箱启动样品旋转，并调节至所需的转子旋转速率。
4. 通过计算机在目标通道上启动调谐/匹配程序。
5. 调节探头上的调谐/匹配设置，以优化探头电子性能。
6. 在计算机上退出调谐/匹配程序，并设置所需的实验参数（如脉冲序列、实验阵列、温度等）。
7. 采集魔角旋转（MAS）NMR数据。

结果

核磁共振波谱仪的输出结果表现为自由感应衰减（FID）信号，该信号是激发态自旋体系在弛豫回到热力学平衡状态过程中产生的时域信号。此类FID信号如图3所示。当通过傅里叶变换将FID信号从时域转换至频域（利用公式3将频率转换为ppm，即绝对频率与参考频率之差除以核磁共振波谱仪的载波频率）时，所得结果即为核磁共振谱图，其中每个峰代表处于独特化学环境中的一个原子核（图3）。

一项原位高温高压魔角旋转核磁共振（MAS NMR）实验的代表性结果来自催化领域²¹。在该研究中，研究人员探索了乙醇转化为丁烯的反应路径，以阐明生物来源分子升级为航空燃料的反应机理。该反应在高温高压条件下进...

讨论

本文所述的魔角旋转核磁共振（MAS NMR）光谱测量方法代表了高温高压MAS NMR实验的先进水平。此类方法能够以可靠且可重复的方式，在真空气氛中观测高达数百巴的压力条件，以及从低温（远低于0 °C）至250 °C范围内的相互作用。在灵活的化学环境下，对包含固体、液体和气体混合物的体系进行探测的能力，为不同研究领域提供了广泛的实验可能性。

尽管此前的许多研究主要集中在低磁场（300 MHz）下使用相对较大的（7.5 mm）核磁共振（NMR）转子，但该设计本身具有可扩展性，可适用于更小尺寸的转子，从而在更高磁场下实现更快的旋转。将操作扩展至更小尺寸的转子，可探测的原子核种类也更为广泛。在300 MHz条件下，通常检测¹H和¹³C，而例如原位²⁷Al魔角旋转（MAS）NMR则显著受益于更高的旋转速率和更强的磁场。目前，小至3.2 mm的原位高温高压NMR转子已在运行，其旋转速率最高可达25 kHz。使用更小的转子（2.5 mm和1.6 mm）可进一步将旋转速率提升至分别高达35 kHz或45 k...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1) 固体样品的制备
气体管路
气体质量流量控制器
真空泵
管式炉
温度控制器
热电偶
石英管
隔离阀
石英棉
2) 将固体样品装入转子
干燥手套箱
高温高压核磁共振转子
样品漏斗
样品压实杆
转子支架
分析天平
微量注射器
转子帽扳手
3) 向转子中加入气体
核磁共振装样室
转子平台及合适尺寸的衬套
真空泵
气体管路
气体质量流量控制器
真空泵
加热带
温度控制器
热电偶
内六角扳手
螺纹杆
扳手
压力表
高压注射泵
液体注射泵
4) 进行核磁共振实验
MAS 核磁共振探头
核磁共振波谱仪
用于控制波谱仪的计算机