1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance...

16
Introduction 1 1. Introduction Learning about the theory of NMR and obtaining high-quality experimental results are two different things. Of course, they are related and you need to know about the theory if you are to understand how to generate good experimental data. The aim of these notes is not to teach you about solid-state NMR but to show you how to obtain that data, to minimise the mistakes you make and to allow you to make best use of your spectrometer time. A certain amount of knowledge of NMR is therefore assumed. For example, we show you how to measure a 90º pulse but do not explain underlying concepts like the rotating frame. The methods described in these notes come from a distillation of fifteen years of practical experience of being involved with a solid-state NMR service with a turnover of well over 1000 experiments a year. While most of this time has been spent using Varian spectrometers this is not a step-by-step guide to operating a specific instrument. Instead, we have kept everything as general as possible but where there are important implementation specific considerations we have noted these. Whenever possible we have illustrated the text with real experimental examples rather than show “textbook” idealised results of experiments. The emphasis here is on the basic solid-state NMR techniques. Most advanced experiments are based on these so once you have mastered these basics more complicated experiments should hold no fears. If you follow the methods presented here you should be able, with a little practice, to obtain high-quality experimental results with the minimum of difficulty and so make the best use of your time on the instrument. Where there are dangers and pitfalls for the unwary we have tried to point these out. Necessarily, with hundreds of samples a year to deal with we cannot always fully optimise our experiments so some of the methods we use are designed to produce a result without extensive trial experiments. We are usually able to generate a good result but with more time to vary the experimental conditions it might be possible to produce an even better result. Again, we have pointed out where such extra work might be a benefit. NMR is a continuously developing technique so naturally our experience continues to grow and we cannot have as much experience of newer techniques as we do of older ones. These notes may, therefore, change with time as we build up knowledge of new experiments.

Transcript of 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance...

Page 1: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Introduction

1

1. Introduction

Learning about the theory of NMR and obtaining high-quality experimental results are two differentthings. Of course, they are related and you need to know about the theory if you are to understand howto generate good experimental data. The aim of these notes is not to teach you about solid-state NMRbut to show you how to obtain that data, to minimise the mistakes you make and to allow you to makebest use of your spectrometer time. A certain amount of knowledge of NMR is therefore assumed. Forexample, we show you how to measure a 90º pulse but do not explain underlying concepts like therotating frame.

The methods described in these notes come from a distillation of fifteen years of practical experience ofbeing involved with a solid-state NMR service with a turnover of well over 1000 experiments a year.While most of this time has been spent using Varian spectrometers this is not a step-by-step guide tooperating a specific instrument. Instead, we have kept everything as general as possible but wherethere are important implementation specific considerations we have noted these. Whenever possiblewe have illustrated the text with real experimental examples rather than show “textbook” idealisedresults of experiments.

The emphasis here is on the basic solid-state NMR techniques. Most advanced experiments arebased on these so once you have mastered these basics more complicated experiments should holdno fears. If you follow the methods presented here you should be able, with a little practice, to obtainhigh-quality experimental results with the minimum of difficulty and so make the best use of your timeon the instrument. Where there are dangers and pitfalls for the unwary we have tried to point these out.

Necessarily, with hundreds of samples a year to deal with we cannot always fully optimise our experimentsso some of the methods we use are designed to produce a result without extensive trial experiments.We are usually able to generate a good result but with more time to vary the experimental conditions itmight be possible to produce an even better result. Again, we have pointed out where such extra workmight be a benefit.

NMR is a continuously developing technique so naturally our experience continues to grow and wecannot have as much experience of newer techniques as we do of older ones. These notes may,therefore, change with time as we build up knowledge of new experiments.

Page 2: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

IF IN DOUBT SEEK ADVICE FROM THE NMR FACILITY MANAGER

the NMR Facility Manager

the NMR Facility Manager

Page 3: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

��������������� �� ������������

������� � �����������������9

�� ���������� �� ��>�5+;���� ������� �� ��??������6���@A?��5�B/���7����� /� ������������ �������� �

���� �/� ������ /�� � /� �� ��/������� �C

�� �� /� � /������������ ����������� � �� ���������� ��������1�� �����1��� ������ /�� ��� ��� ����

��������� �� �� /�����1�� /� ������������� �1����������� �� �

!�� /����� �������������.��6����� ��� ����� ��� ����������� ��7������ /�������������� ���3�������

/�������1�/������������5������ ����������������������1������ /�� �����������5���������1�������

�� ���� /�������

����>� �������+������

"����.���������� ��� ��� ������ /� �������� ���������� ������� ��������/����1�� � /��/�;����

������� ���.� /����������������� /��� �5�� /������������������ �������(�.����/��������.����

����������� ��� ��� ������������(�1���/� ������ ��� ��� �������$&�����1� � � ����������������1�����

#������������.�� ������������� /���������.�����!��������1 ��1�� ���������3�������� /� �� ���� �����

'����� � /���� ������������ ������������ ��B������������������ ������� ��� �������������� ������������

D��5����������3���������������.� /��� �����8

���� +�.�#���������� ���� ���D��5E

&/����������.��� �� /������������� 3������������� ���������������������� ���� ��� ������ ���� ���

&/������ ��������� �������������� /��1������ ���������.����"� ������������� �����������1���5���� ������

��������3� /�����/�����3�������� � ���������� ���� �����D/�� /�� ����������� /���.�������/�.� /��

������������� ������ /� ������������������� ��5��.��������������3� /��������� /��� �� �� /� ������.� /

/���

! ������ /�����/���������� ���� ������ /� �������.������ ������ ����� � /������������ ����4��������6ν�3

ν������ν

97�����/����4��������� ����� ���1������� /���������&/������ � �� /������������ ��3����������� �

�������������4������ ����� ���1�������� ���������� �������&/���� �� ����� � /�����4������.��.�� ��������

�� ������� �����4������6���!"7���"�����������3���������.��.�� � ���1������9*����� �������F<�&�6>��

�+;7����� ���� �����&/�����4������.�������6ν93����7� �����>�F���+;�����3�.� /�������+;�!"3� /�

��� /������� ����� ����<>�F���+;�6 /�������� ������������ ����� /��:�$������������������ ��7���&/������4�����

������� �� /�� ������ ���./���� /��!"��������� ��������������� /���������/���3����� ���������/���

����������1�� /�� ������ ������ ���������&/���� �� �� � /���� � ���������������.��� ����������&����� ���

/������� ������� /�������� /����� �� ������� ��� /��� /������ ����� ���6./��/��������� ������ ���������

����������� ���� ���7����� /��� �� /��/� /���.������������� �� ����� ���������������� /�� ���� �

���������5D3��������� ���� /������������6��5D�����4������ � ��A9��)7���&/�������������� �� ������� ��

�� /�����1�� /��� /��� ������ B�������6&B�7��.� �/�

&/�������������� /��������� �� /������������� �� ���1�� /�����1����&/����������.��� � ��6������� 7��� ���3

.� /������4������ν9������./� �������4���������������.�������� �������� /��������3�ν

����! � ������1��5

��.�� /����1���2�� ���������� /������ � ����1� ���.�� ������� ��� �����������������1�� /��&B���.� �/���$���

����������6�� ��������� /��� /� /����� ���� /�������� ��B��1��� ���� /����� ������� ����7� /���� �������G�����H

.� /�ν9I !"� �������������� ����.� /����4������!"I ν

����&/���������� ��� �� .���4��������� ������������ �

�������/����������� �����/��������� ����� �� ���6-�#7���&/���� ������ /��G����H�����G��� �����H

�������� ����� /���� �����6��� /����������4��������� ����������� �������5+;��� /� ��� ��� ����.�����

����������� ��7���%�.�� ������4�������������������1�� /���������� ������� /������� ��� ��������� � ����

1�� /������� � ���� � �������� ���6(#*7���&/���� �� ������ /� ����������� ��������������./����.�

���������������� ���������� �

Page 4: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

��������������� �� ������������

������� � �����������������<

���������

ν �

��� /������

&������ ��

&������ ��

��� ������

( ���� ��

(��������

ν �I!"

ν �ν �

ν �&B�

�.� �/

-�����

- � � 1 ���� /������

&������ ��

&������ ��

��� ������

( ���� ��

(��������

ν �I!"

&B�

�.� �/

-�����

��� /������

&������ ��

&������ ��

��� ������

( ���� ��

(��������

ν 9I!"

&B�

�.� �/

-�����

ν 9I

ν �

������

(#*

(����

��� ��

����������� ������

-�#

-�#

���� ��

�����

ν9Iν�

ν 9I!"

!"I

ν �ν �6J�7

ν �6�7

"� �������������5���� ������������� ���� ��

Page 5: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

��������������� �� ������������

������� � �����������������>

(��� /���������� ����� /��1���5���� ���3�.� /� /������� ������� /�����1�3������������������� ����������

�/�� ��� �� /����1��� �1� .���� /��� /������� /������������������������ ����&/�������� .����� /��

� ������ ��/�.����� /����� ���� /� ������/�� ���������� ���� /����������� K��������� �������� /��G4��� ���

.����� /H�6λB<7���1�����&/���������� ���������������1� .���� /��&B���.� �/����� /�����1�������������� ������� ��� �����������������.�� ������4��������6 /�����4�����������������1�� /������ ���� ������

�� �G�����H����� /����������������/��������������� ����.���7���"����������3������ .���/������+�*

��������� 3� /��������1����/� /��������� ������ /��+��/����������.�� � /��+����4������ /��� /�1�

��2�� �� ������ /������$�� /��*��/������ /�����������.��������� �������.�� � /��*����4������ /��� /�1�

��2�� �� ���� /�� �6+������� ������7�/� /�����&/���� �� ���������� / ���������������� ��������� /�����/�����

6+�L��7���������� ��./��/�������������� ��������� ��� ��5���� /��L����������4�������������� ���������

�1������./����L��������������������������� ������������������4������ ��5�������������4������������ �6+

����"������������7�������������1��� �������� /�����/��������������� ��6�1����� �*�./�������������

+�����(�3������������7������� ������1���1������� /����������� ����� ���������� ������1���6� �>����+;�*

����(��������>�F�������9���J��+;3������� ������� ��������� ��������������� �7����&/��λB<���1��������������� ��������� ��6����.�� ��������� � ��������������� /��λ .����� /�1� ��� �� /���.����� /�7���&/���1��� ����/������������� � �� /�����������������1���� �������� ������ ���� /���������������� �� � !�

���� ���3����/���1�������������� ��������4�������3������������������9����+;����� ���� ��3���<>� ��A>

�+;���1�������1������������J���6>J�A���+;7��� /�� /� /����1������4��� ����/����������� ����� /������

���� λB<���������������������4�����3�����>A�>��+;���� /�����������

��9� +�.� ��*/�� ����-��1�

&/������ ����������.� /��(�����1�����&/���� /�����������������1�� �����1����+�.���3� /�������

����� ���������������� ����� /� ������� ���������1�������� ����1���.����/��� /�������.�� ������� ����K

.��/� /�������������������6G1����� H�����G����H73�������.���������������1�������� ���������6 �� �����

�������.������� /������ ���������� /�����1�73����3� .����� /����6���� /�����1���.��/������#��/��7�����

������ ������������� ��/��� ���6������� �������� 7������� ������#������� ����/�.�����1��� ������ ���

����� ����������������� � /�����1�����������/���������� .��/�� ��B ������ ����������������� �����

)������G-�����H����1���/��� /�������� ���������)&�.��5���� /��)&�� ��53��� ���� /�����1��

&���/�� �������1�K

��5������� /� � /����������� �/��������/������� /������ ���� �������� ������� �6���� /� � /�

���1������ ������ ������ ���7�

��1����������� ���������

��5������� /�������������� �������� �6�����.� /�����1�������������� ��� ���������������� ���.�

��������7����� /� � /��������������1� /����������1����� �������������;����

!�� /������������������� /�����1�3�������� �

#�������� �������������3���������1����������� /�� ������ /� ���������� ��� �� /�����1��

�� �� /������� � ������� /�����1��6������ �������������7�

������������ ����� �����.������������ /�����1������� /���� �� ���� ����� ����� ��������

������.� /�������� �� ���������������� ������� ������

!�� ����� ������1���������� ������ /������������ /���1������������������K

������������� �� ����������

-��� ���� /�����1������ �������� ������ � ���3������ ������� ����� �����.�������/��5�� ����� ���� �

D� /� /�����1�������������� /���� �� ��/��5� /������ ����� ���������/������4������ �6)&�� ��5

Page 6: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

��������������� �� ������������

������� � �����������������A

���./� �������������� ����� /����������� ���� /���� �� �1�����7�

*����� �������������3�������������� ���� ���1��������5������� /�������� �������������������� ���

&/�����1���/�������.�1����������������

��<� +�.� ��&������-��1�

&/��������������� ��1� /� /�����1������ /������ ���� �����(�������������������������5�����1�� ����

���5����������1� � �� /���������������3����1�� ���� �����1���������1������� �� �� ���! ���������������� � �

�� ��� ��.�����/�.� �� ���������1���������������������� �������� /��5��� /�� ����+����� �����8��&/�

�� /����.���������#��/�������������� ��������� ����

��>� -��1��������� �!���� ��� �1��8

-��1������������� ��6����������������7���������������� ������4������ ���*����������������������

�������������� ����(������ �����/������1� ����� ���������1���� �� ����3� /�� / ������������1�

������ � �������.� /�������� ������ �� �����������������������1��8

��>��� -�.���+������

���� ���� ���� /� ������������4������������������ � ��.��53�/�������������� /� ����� ����� ������ /

��.��� ������ ����� ����1�����(������ ����������� ���/� /�����.���������� ������ ������� �������3

� �1�� 3��� ����� /����������������� /�����1����3�� �.��� 3�����1���� ������� ������! ���� /�������

����� �� � ��5��.� /����������� ���������/����1��6���� /���(���������� ��������/����1�7����� ��.��5

.� /��� /������� �� /� � /������ ��.�����/�� ���������� ����./� /��� /�����1�����1��� ��������� .��

��� /�����/����������������� /�����1�� ������������1��������������������� ��������������.��

�� �� ����"������� �����������������������M��� ��������6 /� ���3� /��������/�����1����������������M

��� /�� ���7����3�������������� /��13� /��5��������������3��������5���������������1�3�1�������������

����������6��������� ����� ���������������� /������ �� 7�������� ��� /����������

��>��� :��� � ��������������� �

( ���3� /���������� ������5��.�� �./� � /������ ����������.��5�� �.� /��� /�����"��� /��-���������� �

����������� /���� ����������������������;����������+�.���3� /����������� ����1� /� /������� /��5�.���

����������! ��������� �������� /� �5��.�./��/� ���������������� �1���������������� ����� ��������#� �

���1���������������� /������� /��5�.���������������� /�������1��������� ��������� ������� ������

/� �/����������� ���������������� �����! ���� /�������� �����������������

�� ������������� � �� ������1�������!�� /� ��������� �/� /�������� �.������� ���� /��./������� /���������

����������)����������� ������ ��� /���� �������� ���� �� ��6 /� ������������������ ����� /����� ������

����� ���������������� /� ������������� 7���!������������������ ������ �������� �� ��� � �������� ����

����� �� �������� ���� ��������������1������ /�� �����

������� �� �/� /������������5���� ������� ������ ������� ����������������� ������ �������*����� � /�

������ ��������1�� ���� ���/��1������.��5�� �.� /������������ /� �/�������.���� �� ����� �6��.

������1���.�����N*7���! ����/������� ��/���������������� /����� �� ����� ��������������� /� ��������

.��5�� ����

��>�9� ���5 �������� ����

&/����������������3� /���� ���������������3������������������ �������3��� �� �����3����� ����� �����

!������/������/���������� ��������/����� /���� /� �.���� ������6���� ����� � /��������� 7�1��5 �����

�� �������� �� /� ������������ ��������������� ������������� ��������������� ��� ������ ����������

Page 7: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

��������������� �� ������������

������� � �����������������F

�������������������������������!�����+� ��*��������������� ������������� � /���� �����

�� �����1� � /���.��������������������� ��������� ������������� ���!����������� ������1��5 �����

�� �������������/��� ���1 ���������� ��������������� ���� ���6������ /������������ �������

�����������7�������1 ��� �� � ���1 ������G�����H����� ������������������������ ����1���.���� ��

���+�1��5 ��������$ /����������1��5 �������� ����������9*3��J"3��F(�������J������� �� /�

�������� /������ ���������������������������� ���� �/� /��� ������ �����6�1���A��N*�����'���

"3������������7���������/� /� ������ �������������� �3���������1��������� �������� ������

/� � �����1��5 �������� ����

��A� ,����-��� ���

,����.��5�� ����� �������������� ���� ��������.��/��� /����� �� /� ���� /������ ���� �����*����������

�������� �� �����5������� /���� �������� /���� ������������6 /����� ������ /������� �������������

����������7�1������� � ������� /�����1����*�� ����� �� � /�����������������.� /��������.��������� �

���� ���� �������������� ���������������*�������������� ���������� ����������.��������� /�

����������5�� ���������������� �������:�1���������������������������������������(�.���������5

/���� ���./�������/��������/������� �� �������������5�������� /��� ���������������6 /�������

��� ����5������ /����������������� /������ ���� ��3������5��.������� ����������3�����1�

���� ����7���-� ������4������ � /� ���������1��5�./����� �����������./�������/��������/���.� /

� �������� �5��������������5��� �� /������ ���� ������������������������� ����������

��F� �������� ������D��5

&/��������������� ����������� � �����.���8��!���������� ����������� ����������������� ���� �������������

������������������� ���������������� ����D/�������������������3���5������ ����� /��������3

./� ���������� ������������� 3� /���� �3�����5��������� ���3�./��/����1�������������� ����� /�

���������./����� ����� �������(��� � �� /����������� ������������� /��������1��������1 3�./������

������� /���� ��� ����� ����� �3�./� � /����������� �.����������./��/��������� �.�������������

!���������� ����/�.� ��������� /�� ���.�� ��� ���.�������������� �/��� ��1�� ����� ���8

(������������3�� ������ ��������������1��� ���� ���������>��6� ��� ������1�������7�*-����������

1������� /���� ����/��� �����.������ ���� �� ��1���1������4���5������������3�/�.���3�����������

�1�� � /�������� ���������� �������� �����6��������������� �� � ���7���������9*�*-���������� �

!��������5������ ����� /����������������� �� � ����1�/�������������1���� ����������������� ���

�����/���������.�� ����>������ ������ ���

Page 8: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Introduction

8

3. One-dimensional, Double-resonance Techniques

3.1. Introduction

Now we can get down to some spectroscopy. There is a whole gamut of very clever experiments outthere waiting to be run but if you cannot get the basics right you will almost certainly struggle to achieveanything very useful with the more complicated ones. Here we try and cover the ground that shouldprovide the foundation for all your practical solid-state NMR work so that you can obtain good spectrawith the minimum of fuss.

In this section we cover basic experimental set up: angle-setting, shimming, pulse-calibration, matchingand referencing - all the operations that you will routinely carry out on standard samples. We go on tolook at how to choose the right acquisition conditions for an “unknown” sample. To take that a bit furtherwe then deal with some straightforward spectral editing techniques.

To include some more recent advances in solid-state NMR methodology we look at ramped cross-polarisation and modulated decoupling - techniques that are likely to be needed for any work involvinghigher field instruments. We cannot always rely on having to work at room-temperature so we haveincluded a section on “variable-temperature” operation and put in that some of the aspects of temperaturecalibration and also sample heating during magic-angle spinning.

To complete the survey of basic one-dimensional experimental tools we include a look at the experimentsthat can be carried out on static samples and how the results of those can be used in conjunction withhigh-resolution studies to give us extra information about the samples we are working with.

The examples used to illustrate this section are all from real experiments and it is therefore inevitablethat some of the terminology we use comes from the language used by the instrument manufacturer.For example, we will talk repeatedly about “arrays” or “arraying” parameters. This simply means runninga series of experiments with one acquisition parameter varying so that we can display the results on thescreen simultaneously and directly compare them. We, inevitably, also need to talk about the intensityof our pulses. As the magnetic flux density of the applied radio-frequency field is a bit of a mouthful wewill use the looser term “power” or simply “field” or “field strength”.

Many of the examples of the basic setup process in this section involve adamantane. We have alwaysused adamantane but there are alternatives (hexamethylbenzene or glycine for example). There arepros and cons associated with each. The pros for adamantane are: intense signal, well defined matchcondition (although that can be a drawback too) - see section 3.5, short recycle (section 3.7), andnarrow lines (for checking the shims - section 3.3). Adamantane is also useful for diagnosing spectrometerproblems as you can still get a signal if you are not decoupling or not spinning. The disadvantage withadamantane is that because the lines are narrow you have to decouple for a long time (usually for morethan 200 ms) and to do that safely you cannot use full decoupler power. That means you have toremember to adjust the acquisition time and decoupling before you tackle a “real” sample but if you arethinking about what you are doing that should not be too much trouble! The sensitivity of adamantaneto the match condition makes it difficult to exactly reproduce the “best” spectrum week-in week-out soit is not the best choice of sample for testing sensitivity. Nevertheless, if you keep the adamantane rotorpermanently packed (so know you always have the same amount of sample) it still gives a very goodindication that everything is working correctly, or not, as the case may be.

Page 9: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Setting the Magic-Angle

9

3.2. Setting the Magic-Angle

Setting the magic-angle is the first thing to be done for any new high-resolution probe and it is somethingthat needs to be done at regular intervals thereafter. How regularly depends on the angle stability ofindividual probes, what the probe has been used for and who has been using it. We find that on mostprobes the angle is stable and providing the probe is used with care it is sufficient to check it every oneto two weeks - with one exception. Variable temperature operation can cause changes in the angle soit is worth checking after any variable temperature experiment. Checking the angle is a quick andsimple procedure.

For probes with a broadband X-channel we use one of two methods. For the first we use a sample ofpotassium bromide and observe the 79Br resonance (although 81Br can be used equally well). UsingKBr is probably the simplest and quickest method (providing the probe is not a long way off-angle).There are a number of advantages to setting the angle with KBr:

1. Can be done at low r.f. power so well within the safe limit for the probe

2. Only one channel is required (no decoupling)

3. Does not require much sample (KBr can be mixed with a sample that is angle-critical so an “in-situ” measurement can be made)

4. Lines are quite broad (~100 Hz) so precise shimming is not required although thebest results will be obtained from a properly shimmed probe

5. Because of 1, 2 and 4 no other probe setup is required first (so this method isespecially useful for new or repairedprobes).

Setting the angle on the probe that is very badly off-angle (as itprobably will be if it just been dismantled or repaired) can takequite a long time. We measure the distance between fixedpoints on the spinner housing and somewhere on the probe sothat we can quickly reset the angle to its rough position afterany repair work. The final adjustment, though, must always bedone with an experiment.

The angle can be set by monitoring the response of the samplewith the spectrometer in repetitive, single-pulse mode. This isgood when the angle is badly mis-set but makes fine adjustmentdifficult. We prefer to do 32 or 64 repetitions with a short recycle(0.1 s) and make adjustments based on the accumulated result.The higher S/N makes fine adjustment easier.

With this method we aim to maximise the duration of the rotaryecho train in the FID.

The following acquisition conditions are appropriate: 32repetitions with 0.1 s recycle, 2 µs pulse (with 90º pulse > 6µs), spectral width 100 kHz and a spin-rate of about 4 kHz(much faster and the echoes get too spaced out and muchslower and things get a bit congested). The sequence of eventsis shown on the next page.

rotary echo

Page 10: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Setting the Magic-Angle

10

Start by obtaining aspectrum.

The FID for which will probablylook something like this

The ”slow” oscillation through this is because the centreband isoff-resonance so the the next step is to move the transmitter so itis on-resonance. Then, if the probe is off-angle, the FID will looksomething like:

The angle is then adjusted until the FID looks like this.

We consider the probe to be on angle when we can see rotaryechoes extending to 10 ms (or beyond).

15 ms

There are other methods that can be used. Any materialthat is sensitive to the angle is potentially useful, for example,ammonium nitrate. The nitrate signal is very sensitive tothe angle. The disadvantages for ammonium nitrate arethat it has to be labelled (we are using the 15N signal), itrequires a full CP setup (so two-channels) and a well-shimmed probe. The advantages are that it is easy to seethe result of fine adjustments to the angle and, withexperience, the bandshape shows the direction in which toadjust the angle.

δν½ = 10.5 HzOn-angle

Off-angle

8 ppm

Page 11: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Shimming

11

3.3. Shimming

The “shims” are small electromagnets that can be adjusted to cancel out errors (gradients) in the staticmagnetic field. Shimming is the process of adjusting these fields to produce a magnetic field that isuniform over the whole of the sample.

The magnet has two sets of shims. One set is superconducting (the cryoshims) and were adjustedwhen the magnet was installed. You cannot change these. The second set is the room-temperatureshims. These form a hollow cylinder that sits inside the bore of the magnet and the probe fits into thiscylinder. Each shim coil is designed to compensate for a particular gradient and they are labelledaccordingly. For example we have Z1, Z2, Z3 , X1, Y1, X2, Y2, XZ, YZ, XY, X2-Y2 , XYZ and so on. Asmagnet technology increases so, it seems, does the total number of shims available. There is also a Z0

shim which is used to alter the total magnet field by a small amount and is usually used to compensatefor the gradual “drift” (the slow loss with time) of the field.

Shimming in solid-state NMR is nowhere near as critical as it is in solution (as the lines are intrinsicallymuch broader). We tend to find that once a probe has been shimmed, providing it is positioned thesame way every time it is used, a set of shims will be appropriate for a considerable time (years in somecases). This is, perhaps, a good thing because it is more difficult to shim a solid-state (at least MAS)probe than a solution one. The shim gradients are designed to work round the vertical orientation of asolution-state NMR tube and tilting the sample over at the magic-angle rather complicates the way thatthey work. Also, the automated shimming routines that work with the “lock” signal have no place insolid-state NMR (as we do not have a lock).

So how do we shim? We have tried various ways of doing this but, in the endwe always end up with the same method. For any probe that will tune to 13Cwe shim using adamantane. We simply adjust the shims while observing thesignal (usually the spectrum) until we either obtain a narrow, symmetric line orrun out of patience! Narrow means anything under about 0.05 ppm althoughin practice a really good set of shims is not essential (see below) so, unlessthe materials you are working with give similarly narrow lines, it is not worthinvesting a major amount of time trying to obtain one. For probes that do nottune to 13C the 1H signal from polydimethylsiloxane is useful for shimming on.In our experience changing the high-order shims has little effect on the lineshapeand we tend to concentrate our efforts on Z1, Z2, X1, Y1, XZ, YZ and XY. Theseusually produce an acceptable lineshape - see figure 3.3.1.

It is also possible to shim using a liquid sample, however, care must betaken to exclude air bubbles from the rotor as they can cause greatproblems with lineshape. With patience, then, it is possible to achieve agood lineshape and a narrow line but how essential is it to have a goodset of shims? Clearly, it becomes more important as lines get narrowerbut what constitutes narrower in this context? One example shows thatthe shims have to be extremely badly misset to have much detrimentaleffect on thespectrum. Figure3.3.2 shows themethyl region fromthe spectrum ofh y d r o x y p r o c a i nhydrochloride withthe spectrometer

Adamantane

C10H16

Figure 3.3.1 High-frequency(CH2) line from adamantane.The linewidth at half-height is3.2 Hz and the JCC satellites areclearly visible (JCC = 30 Hz).

1 ppm

H2N

OH

ON

O

Hydroxyprocain

Page 12: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Shimming

12

shimmed as it was for figure 3.3.1 and with all shim currents set tozero. With good shims the width of the low-frequency signal is 25 Hzand with no shims it is 43 Hz. Yes, it is worse, but even this spectrumis not a complete right-off and just a few minutes shimming is goingto produce a result indistinguishable from the good case at the top.Figure 3.3.3 shows, in case you are wondering, what the adamantaneline looks like with the shims all at zero.

For the spectra of many samples, where the natural linewidth exceeds100 Hz (so that includes spectra from the majority of quadrupolarnuclei, heavy metals, natural polymers and anything that is rigid andnon-crystalline) shimming is not vital in obtaining high-quality spectra.

Finally in this section, when you do any shimming make sure that anyperipheral equipment is correctly in place. Any metal-containing itemssuch as a VT stack, exhaust dewar and even metal connectors oncontrol lines attached to the probe can produce a change in themagnetic field - enough to be noticed on a sample giving very narrowlines. If you do change the shims in any way make sure you do anyreferencing after making the changes (the shim values not only affectthe shape of a line but its position as well). You should compensatefor any changes to the overall field by adjusting the Z0 shim.

Figure 3.3.3 High-frequency(CH2) line from adamantane. Allshim currents set to zero.

Figure 3.3.2 Methyl region fromCPMAS spectrum of procain.Top: shim currents set to thevalues used for figure 3.3.1.Bottom: shim currents set tozero.

14 8 2δC / ppm

12 ppm

Page 13: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

�������������� ��

�� �������������������������

������������������� ��

!������������������������"��!��!�������#���������$������� �������������������� ����������%&�'��(����#����

!����(������������� ��"��!��������� ����������%)�'��(����#�����%*���������!����!��+��!���� ��� ������

*���� �*������"��!�*��!�)������&���(����#����'�

,����� ��-����!���� ����!���������#�(�#�#������ ���������.������$���������������#� .���#�������$��!������

�!���� �����������/�$�����.���������"�����������/����� ��!��#�(�#�#������ �����*��������� ������!��

������ .��������#���������!����!����#� �����$� .��� �(���*��"������ ������0$�����������.��������������.����

����#�� ����������� ���%����*� �"'���,���.����������.�����!���� �������������!�� ������������� �� �1���!��

���$��������������,����$��������.�"�� �

����!���� �!�� ������ ��������������� �� .

�������* ����������!���� ���������� !���

������$��#����#� ���!�#�������.�����!�

2��$�� ��%��3�##�������"��������$����!��

�(����#�������!��!�#�������.��!�� ��*�

*������ $��� �#� ��� ������'�� ��������#

��#*�����(��������!��#��������� �%"!��!/

����!�������/��4�����������5�µ������ ��'��/� �$� � � "�� ���� ����������� ��� ��

������������!��#��������� �"������� ��1

���$���!���%�� ����"��"������������$����

����.� �������* ��!� �!������������$� �!�

#�(�#�#�#������������ .'�

0$������������#���������������������$���

�4������� ���������!����#� ����������

!�#�����������$�� $�� �/��!����!���6

�� �������������!�� ��*���(��� .��"���

�!���� ��� ���� �7�"����/� ��� �!�� ���

"�� ���!�������������!��������������������

������ ����$�����!������6��� ���������

�"�����!������ �����0��$�������������!�

���������� �#�(�#�#����*��"�����!��$�$�!�������(�!�� �#������$��!������.�%8�����5�µ�'�*����!���� ������%�!���6'����*��"����� �#���������������%����������µ�'�����!���6��� ������� �������!����"�����!����������0$��!����� ���������!�����������$� ���#����$��!���� �����/�������������� ./��"� �!����#������$ ��������

���!������ ����!����� �������������0$�.�����(����#����������*��!��������6��� ����������"���!��!��1���

�!���� �����$�*��!��$��!�#�����������#� .��� .�������$���������������������������#� ��� .����*.��"��

0$�.���"�������4���������� .�����

�� ��� $��� �!�� 2�� $�� ���������!�

�4���� �������79/�������"���!��*�������

��$� �����.� �1���!������$�����������

�����������!��$������������������

���������� $� �"�:�2��;� < �×%��5� �

��6'=�����>$�������/�$��������!��$����

������������� �������/����"� ���

�!��$�����#�(�#�#/���1���#������#�

���"!��!���������"���!��������������

����!���������������"!��!�.�������

��������!���(����#���� �����#������

������������������ ������ ������������$����!��!��!�$��4����.�%)7�'

�����$����#�������� � � !������������ ���/�"��!����µ�� �����#�����������������µ��% �$�#���'�

��� ��� ������ !��������������*��!�������"����µ���� !�����������!�� �$����$��#��!��7��!���� ������!�������!�����!��$��#��!��+��!���� �%���*�������!��

����'�

Page 14: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

�������������� ��

�� �������������������������

��������#� ��������#������� ��(����#����� ��!���������������������!���� ���!��� ��� �������4������$����!�

$��� ��������#�������#������#� �(��(����#����/�������� �� .��!����������#� ��� ���� ���/�������������

#�����#��������

0$�.������������!������!������������$��!������ ��/�������?������#�������$��!��������!����"����������

%"��!����!�� �#�����$��!�����*�'����������������!��������������>����#���������#������%"��!� ������������

�$��!����"��'/�����������������!����"����$��!���� ���*.���$�������$��"��"� �!� ����!������ �����#��

!������������$���$������������� ���"��1���� ��* .�$�����.������@���� ����*�����$$��� ���������������"��!

4������� ������ ����2��������������������4������� ��������������������������#�����*.��,��%�����!��

#�.����.�$��#���#� �������#� �'��!�.�������#� �������!��#������#�����$������� ���%�!����������"��

��#������� ��(����#�������������������������� ��$��#���� ���"��!���$$������4������� ������ �������������

�!����� ��������!��'�������4������� ������ ��������/��!���$���/����� ������ 1��*������ ������ ����!������

�������� $��#�����#� �� ����� ������%"!���� �!��������������� ������������ ���������������9����*.� �!�

#� ��� �����#* ���'��� !���� �*�������������������(��� .��!����#��"���������"���$������#��������� .���

�������������� �����������������������$����� �����#� ������������������!�"���!������ ���$����� �*������

�(����#����$���������� !������������.�"����*�������$��#�������4�������� �������$������#��! ������

!������� �*�!�����������4���� ��������!���$��#����� ��������@���� ������������#�������/��!�� �"�������.

"����*��������������(��� .��!����#�������������*��

����������#� ���$��� ��������#����������� !�����#� �

��������4������� ���*����!��������������� �����!��

�!��#�(�#�������� �������������������$$��������#��

�!����!�.�����$����!���� ��������� !���(����*�!������

�$��!������� �$��#��!���� �����#� ��������������!�

��9���$��!��4������� ������� ������������������������#

���������!������ ������������/�)4/���������79�%"��!���

� ������� $�� �������������.##���.��$����'�� � 0$� �!�

���� ��������#� �%���9���'/����������$����!�������#���

�!����*����������#������������#��! �����/��!����!�

*�!������/������$���������$��� �����������/�"� �#�����

�!����$����� ������%�!������ ��������!�������$����� ��

�����#��! �����'���$������������

,����� $��#�*����� �"���� �$� �!�� ��#� �������� $��

4������� ������ ��/��!����������������#��.����$� ����

������"!����� �*��������!������ �����,���!��*������$

�!��������������"���#����������!����������#���������!��

�!����#� ��!�����#�����$� .��� �(�*��"������ ������0$

������������������ ������ ������������$�������4�����

��) � %���'������� ������>�� %*����#'�� � !���������

�� ���/�"��!����µ�������#������������������µ��% �$�#���'�

������������������ ������ ������������$����� �����) �

!���� ���������!����#������!����$���$������������

Page 15: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

�������������� ��

�� ������������������������8

�����������/��!������ �������*�����$�������� !������ ���!�"�����$�������������"����*�������"��!������!

��#��%���'�$���$� ��� �(������*��"������ ������0$��!���(����#����������������"��!������!�������� �.�%���'

�����.���$$���������� ������*���������$�������������� !��������*����$�����(���#���(�#� ��*������� ����������!�

��������0$�.���������.���.##���.�����!�����������$� ��$��!������� ��*�����!��$�����#�(�#�#�������*�* .

#������!���.�������.� ����������!����

A��������!�����.� �����!�������������!������1��"���

"!��� ��� �!�� ��*�� $��#�����������(�����������

$����������*.��(����#����%��������������5��'���&����

�!�� ��������4��������1��" ������$� �!������ ��

������������.���"� ������ ���#�1�������������

����������!��/������#�����!�������������.� �/��!��

$����.�������� �����B����!�� ���!������!��1��!�

���.� �����������/���������� ./����� �.���!����������

�� ���$���*��!�����#������

!���� .���!������* �#��!���"����������� .�������

$������������� ����������"��!�C ���.D���#� ����

�!��������#� ����!��������������� .��*���*���$�������.

%��������������4�������� ������/�������� �� .���

!��!�����$����"��������� ��!� .��������������#� ��/

$����(�#� �'��� !����������������#� ��� .� ���

���� ������0$�.�������"��1����"��!����� ������$��

�!���� �*��������$���4������� ������ �����������$���

"���!�����������$�� �$����!������ ���*.� ��1��������

C����*.D������@���� ����%�������� �����#� �'�$�����

E��!���"� �*�!������������#��������������*���!������������*��!�$��4��������"��!�����!�������$�����.

�!���������������������.�%�(�����$�����������'/���� ���"��!���#� ���$��4��������%��)/�

�3, �����

����/�$��

�(�#� �'��!�� ��!������#� ����!��������������"��!��������������$�����$��#�������� !������ ����*������

$������*����!�� �/��������!����#����$������������/�*���4���� ��������!����*�������$��#/���./�����$������

�� �������$�, ) �������) �

!���������$���������?��������� �������*��!� �$� �� ��"!������������� .�$��� �"��*�������������$$��� ����

�*��������� ����������������!�����*�������������������������������#� �$��4����.�������������/�$����(�#� �/

�����������*������������ �*����������� ���$������)�������!���C�����$��D��!���� ������

�3>/��!�����������

�*�������!���3>������ ������� .�%�$�.����� .�!��������"��������"��1�"��!'��� !��$�������#���!���.�������!��

������"���!��!��1�����!������!��������$�������� ���*����$������/�.�������������� ����$��������������#����*��4���� .�

,���!������$� ���#*�������������F�$���

��,��

������������������� ������ ������������$����� ��������#

�! �������� !���� ���������!����#������!���������$��

$��������������7���/������!���������.� ��!���*���������

Page 16: 1. Introduction - University of Lethbridge · Introduction 8 3. One-dimensional, Double-resonance Techniques 3.1. Introduction Now we can get down to some spectroscopy. There is a

Referencing

16

3.5. Referencing

Once you have set the angle, shimmed,calibrated pulses and matched (for CP)using a standard sample the last thing to dobefore moving on to a “real” sample is toreference. Referencing a spectrum is simplya matter of defining the position (frequency)of 0 ppm. Exactly how that is done isinstrument specific and you might have tobe careful when changing the spectral widthor transmitter position after you havereferenced to make sure that the referencingremains correct. It is always a good idea toreference properly so you immediately geta feel for whether your experiment is workingreasonably and you are seeing signalswhere you expect them.

Referencing can be done either with aprimary standard or a secondary one. Aprimary standard is the “ultimate” reference- the one which gives the signal that is setto zero ppm. A secondary standard is oftena more convenient sample and one whereyou set a particular signal to somepredetermined position relative to theprimary reference. For example, for carbonthe primary reference is tetramethylsilane(TMS) the (1H decoupled) methyl signal forwhich is defined as zero ppm. However,TMS is a volatile liquid so is awkward tohandle and you cannot use it to set up asolid-state experiment (you can only find thematch using a solid). It is therefore commonpractice to use a secondary standard -adamantane, for example, and to set thehigh-frequency (CH2) signal to 38.4 ppm(which is its shift relative to TMS). Thespectrum is therefore referenced relative toTMS but you do not have the inconvenienceof having to use TMS itself. Primaryreferences are defined in the NMR literaturebut you can use anything as a secondarystandard. Ideally, a secondary should beeasy to handle, stable, give a relativelynarrow signal and should be easy to observe(with, preferably, a short T1). It also helps ifit is cheap!

One complication when referencing comeswith fluorine. A shift in frequency arising

suelcuN yramirPdradnats

yradnoceSdradnats

fotfihSyradnocesotevitaleryramirpeht

mpp/

2,1 H SMT

7,6 iL lCiLM1 )qa(

11,01 B FB 3 tEO/ 2

31 C SM eT natnamad Ha C(4.83 2)

51,41 N HC 3 ON 2 HN 451 ON 3 ON(1.5- 3 )

71 O H2O

91 F FC 3 lC C6F6 4.661-

32 aN aNM1 +)qa(

52 gM lCgM )qa(2

72 lA H(lAM1 2 )O 6+3

)qa(

92 iS SMT HC(( 3)3 )iS 4C 4.1-

13 P H%58 3 OP 4 OPHaC 4 H2. 2O 4.1

33 S SC 2 HN( 4)2 OS 4 )qa( 2.133

15 V lCOV 3 V2O5 1341-

95 oC K3 )NC(oC )qa(6

17,96 aG H(aG 2 )O 6+3

)qa(

77 eS HC(eS 3)2 HN( 4)2 OeS 4 2.0401

98 Y OlC(Y 4) )qa(3

901,701 gA gA +)qa(

311 dC OlC(dC 4) )qa(2 HC(dC 3 )HOOC 2 3.56-

911 nS HC(nS 3)4 C(nS 6H 21 )4 4.79-

521 eT HC(eT 3)2 H6 OeT 6 5.586/2.296

991 gH HC(gH 3)2)osmd(gH[ 6]

O[ 3 FCS 3]23132-

702 bP HC(bP 3)4 C(bP 6H6)4 5.651-

from the Bloch-Siegert effect comes into play whenobserving fluorine with proton decoupling (or H{F}). Thisshift is proportional to the decoupling field strength. To avoidreferencing errors it is best to decouple the reference withthe decoupling field that you are going to use on subsequentsamples.