Hyperpolarization in coupled multi spin systems

Abstract

Nuclear magnetic resonance experiments on multi-spin systems using variation of the external magnetic field were performed with high spectral resolution. The main focus was investigating the behaviour of hyperpolarized nuclear spin states in the coupled spin systems in its dependence on the strength of the magnetic field in order to discriminate field dependent effects from others and to optimize the hyperpolarization (HP) yield. The experimental method of the field dependent measurements employs fast transfer of the spins between two field positions: the desired field at which the system is studied and the constant detection field. Extensive improvements of the field-cycling setup were introduced making the field variation faster and enhancing the spectral resolution. For this task, a novel material with compensated magnetic susceptibility was developed and a probehead with reduced metallic parts was constructed in order to suppress eddy currents and their magnetic field and, thus, preserve the detection field from disturbances. A new control unit of the experimental setup was devised allowing a better timing control of the experiments. Thus, for the first time variable field measurements were obtained with high spectral resolution that allow distinguishing signals of individual nuclei in the molecules at a controllable time profile of field variation in a range between 100 T and 7 T. All experiments were done on liquid state solutions, thus, the main interaction between the spins was scalar spin-spin coupling, which is not averaged in low viscosity liquids in contrast to dipolar spin-spin interaction. It was demonstrated that scalar coupling despite its small value has a high impact on the hyperpolarization experiments. At sufficiently low magnetic field the spins reach the regime of strong coupling where all hyperpolarization measurements as well as relaxation experiments are affected by the scalar interaction In the nuclear magnetic relaxation dispersion (NMRD), i.e. in the dependence of the relaxation rate on the field strength, strong coupling in multi-spin systems was shown to lead to several distinct features that have to be taken into account in a quantitative analysis. For instance, strongly coupled spins tend to relax with a common rate even when at high field their relaxation is distinctly different. Also, pronounced peaks and dips were observed in the NMRD curves of systems with more than two nuclear spins 1/2 that were attributed to spin level anti- crossings. In addition, a site specific influence of paramagnetic additives in the solution on the NMRD of the solute was analysed. It was possible to separate this paramagnetic effect from the strong coupling effect. Several methods of hyperpolarization were explored: Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization (CIDNP), Parahydrogen Induced Polarization (PHIP), and Dynamic Nuclear Polarization (DNP). Experiments were performed with the aim to manipulate hyperpolarization by control of spin coherences and to exploit the encoded information for analytical purposes. In all cases it was found that hyperpolarization is distributed among coupled spins when they are in the strong coupling regime. It was proven that the transfer has a coherent nature that manifests itself as quantum beats in the NMR signal amplitude upon changing the spin evolution time at the polarization field and subsequent non- adiabatic field variation to the high detection field. Such oscillations were observed both in CIDNP experiments and in relaxation measurements. Criteria for the polarization manipulation at variable field were derived and experimentally checked. The DNP experiments were conducted with driving the electronic spins off equilibrium by applying a train of radio-frequency pulses in comparison with cw irradiation. The electron pumping was done at low field where the coupling factor is close to its theoretical maximum. Length, amplitude and repetition time of the pulses were optimized to achieve maximal DNP while keeping the average pumping power constant. For analyzing the data an adequate theoretical approach to pulsed DNP was developed. Optimal conditions for getting maximum signal enhancement at minimal microwave power and thus avoiding sample heating were studied on solute and solvent molecules. Strong hyperpolarization was obtained in the hydrogenation reaction of styrene with the singlet spin isomer of hydrogen gas (parahydrogen) and studied at variable field. While for the protons originating from parahydrogen the high polarization was observed at all field amplitudes, in low field also polarization of the phenyl ring protons of the product was detected as a result of polarization transfer among strongly coupled spins. The highest transfer efficiency was seen at the field of spin level anti-crossing. The theoretical simulations reproduce the shape of the PHIP spectra in excellent agreement with the experimental data. CIDNP techniques were applied to amino acids, nucleotides and cycloketones. The most extensive investigation was performed on radical intermediates of the essential amino acid methionine and of methionine containing peptides. Their reactions with photo-exited dye molecules were investigated by combining field dependent and time-resolved CIDNP that allowed revealing the radical structure and the reaction kinetics. It was found that in aqueous solution the pH influences the branching of the radical formation not only through the protonation state of the precursor but also through the reaction intermediates. Exploiting these results formation of four methionine radicals was observed. Simple methionine containing dipeptides chosen to model the behaviour of methionine residues in proteins showed a behaviour similar to that of the free amino acid although they have several additional peculiarities. It was shown that the effects of neighbouring groups, of position at N vs C terminus, and of degenerate electron transfer have to be taken into account when studying proteins by CIDNP. The kinetic constants of the radical reaction as well as the nuclear relaxation times at the radical stage were determined from the CIDNP kinetics. In summary, it was shown that field variation can be used for optimizing the generation of hyperpolarization, for preserving it from relaxation and for transferring it to target nuclei of interest. In addition, the hyperpolarization methods in combination with high spectral resolution were demonstrated to be versatile tools that allow extracting structural and dynamic information on diamagnetic molecules and on short-lived radical intermediates.

Kernspinresonanz-Experimente an skalar gekoppelten Vielspinsystemen wurden erstmals bei Variation des äußeren Magnetfelds in Kombination mit hoher spektraler Auflösung durchgeführt. Schwerpunkt dabei war die Untersuchung von hyperpolarisierten Kernspin-zuständen in den gekoppelten Systemen als Funktion der Feldstärke, um feldabhängige Effekte von feldunabhängigen zu unterscheiden und den Polarisationsgrad zu optimieren. Die experimentelle Realisierung der Feldvariation basiert auf schnellem mechanischen Transfer der Spins zwischen Positionen unterschiedlicher Feldstärke: für die gewünschte Spinevolution im variablem Feld bzw. den optimierten Nachweis im konstanten Hochfeld. Umfangreiche apparative Verbesserungen der Feldzyklisierung werden beschrieben, die insbesondere zu einer erheblichen Verbesserung der Auflösung und zur Erhöhung der Transfer-Geschwindigkeit bei genauerer Kontrolle des zeitlichen Ablaufs geführt haben. Zu diesem Zweck wurde unter anderem ein neuartiges Kompositmaterial mit verschwindender magnetischer Suszeptibilität entwickelt und für einen NMR-Probenkopf verwendet, dessen Metallteile zudem reduziert waren, um Wirbelstrom-Effekte beim Feldschalten zu unterdrücken. Außerdem wurde die Rechnersteuerung des Spektrometers komplett erneuert. Dadurch gelang es die Signale der unterschiedlichen Spinpositionen im Molekül bei zeitlich genau gesteuerter Feldvariation im Bereich zwischen 100 T und 7T mit einer Auflösung von 10-9 nachzuweisen. Alle Untersuchungen fanden an flüssigen Proben statt, wo die Wechselwirkungung unter den Spins durch skalare Kopplung gegeben ist, die in niederviskosen Flüssigkeiten im Gegensatz zu dipolarer Kopplung nicht ausgemittelt ist. Die Messungen zeigen, dass die skalare Kopplung trotz ihrer geringen Stärke große Auswirkungen auf die Evolution von Spinpolarisation hat, insbesondere wenn die Spinzustände Populationsverteilungen fernab vom thermischen Gleichgewicht aufweisen. Bei ausreichend kleiner externer Feldstärke wird der sogenannte Fall starker Kopplung erreicht, bei dem die Spin-Spin-Kopplung dominant wird und alle Hyperpolarisations- und Relaxationsexperimente beeinflusst. So führt bei der Magnetfeldabhängigkeit der Spin-Gitter-Relaxation, der sogenannten Relaxationsdispersion (NMRD) die skalare Kopplung dazu, dass in Vielspinsystemen bei starker Kopplung sich die Relaxationsraten einander annähern, selbst wenn im Fall schwacher Kopplung die Raten der einzelnen Spins deutlich verschieden sind. Darüber hinaus wurden scharfe Strukturen in den Dispersionskurven nachgewiesen, die bei Feldern in der Nähe von Niveaukreuzungen (level anti-crossings) auftreten. Der Effekt der starken Spinkopplung konnte von dem feldabhängigen Einfluss paramagnetischer Metallionen auf die Relaxationsdispersion diskriminiert werden. In einer weiteren Gruppe von Experimenten wurden verschiedene Methoden zur Erzeugung von Hyperpolarisation untersucht: Chemisch induzierte dynamische Kernspinpolarisation (CIDNP), Parawasserstoff-induzierte Polarisation (PHIP) und dynamische Kernspinpolarisation vom Overhauser-Typ (DNP). Diese Experimente hatten das Ziel die Hyperpolarisation durch Steuerung von Spinkohärenzen zu manipulieren sowie die im Polarisationsprozess verschlüsselte Information für analytische Zwecke zu nutzen. In diesem Zusammenhang ließ sich nachweisen, dass sich die Hyperpolarisation auf alle gekoppelten Spins verteilt, wenn der Fall starker Kopplung gegeben ist. Die Untersuchungen ergaben, dass dieser Verteilungsprozess von kohärenter Natur ist und sich in Oszillationen der NMR-Signalamplitude niederschlägt, wenn die Dauer der Spinevolution im Niederfeld systematisch verändert wird, wobei der Transfer ins Nachweisfeld nicht-adiabatisch durchgeführt muss. Derartige Oszillationen konnten sowohl in CIDNP Experimenten als auch bei Relaxationsmessungen aufgezeigt werden. Bei den DNP-Untersuchungen ging es hauptsächlich um die Überprüfung, inwieweit das elektronische Spinsystem durch gepulste Anregung und damit durch Ausnutzung kohärenter Spinbewegung effizienter aus dem thermischen Gleichgewicht getrieben werden kann als durch konstantes Pumpen. Ziel war unter es anderem, bei gleichem Polarisationsgrad die Erwärmung der Probe zu vermindern. Im Niederfeld sind die Bedingungen für solche Messungen wesentlich günstiger als im Hochfeld. Eine besonders hohe Polarisation (PHIP) wurde mit Hilfe von Parawasserstoff erzielt, dem Singulett-Spinisomer von Wasserstoffgas, das sich bei tiefen Temperaturen anreichern lässt und zur Hydrierung von Styrol zu Ethylbenzol verwendet wurde. Der Einbau der beiden singulett-korrelierten H-Atome führt zu spektralen Polarisationsmustern, deren Änderung als Funktion des Magnetfeldes untersucht wurde. Insbesondere der Polarisationtransfer auf benachbarte Kerne ist von großem Interesse im Hinblick auf Kontrastmittel in der Kernspintomographie. Hier konnte gezeigt werden, dass solch ein Transfer besonders effektiv im Bereich von Level-Crossings ist. Numerische Simulationen konnten das gemessene Polarisationsmuster und seine Feldabhängigkeit mit hoher Genauigkeit reproduzieren. Die Einsatzmöglichkeiten von Hyperpolarisation zur Analyse von chemischen Reaktionen wurden vor allem durch Kombination mehrer CIDNP- Techniken aufgezeigt. Untersuchungsobjekte waren Aminosäuren, Nukleotide und zyklische Ketone. Die umfangreichsten Studien betreffen kurzlebige Radikale der essentiellen Aminosäure Methionin und verschiedener Peptide mit Methionin- Residuen, die bei Photoreaktionen mit Triplett-angeregten Farbstoffmolekülen entstehen. Dabei wurden sowohl Feldabhängigkeit als auch Zeitverlauf der dabei erzeugten Hyperpolarisation gemessen, um daraus Struktur der Radikale einerseits und Reaktionswege und -kinetik andererseits zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen unter anderem, dass in wässriger Lösung der pH-Wert das Verzweigungsverhältnis verschiedener Reaktionswege nicht nur über den Protonierungszustand der Ausgangssubstanz, sondern auch über die Reaktionsintermediate beeinflusst. Aufgrund dieser Kenntnis war es möglich vier verschiedene Methionin-Radikale nachzuweisen und mithilfe ihrer magnetischen Parameter (Hyperfeinkopplung, g-Faktor) zu charakterisieren. Bei den Peptiden konnten außerdem Effekte von Nachbargruppen oder der Einfluss von C und N Terminus gezeigt werden. Insgesamt gesehen erwies sich die Variation der Magnetfeldstärke in Kombination mit hochauflösendem NMR-Nachweis als sehr vielseitige und aussagekräftige Methode, die sowohl für die optimale Generierung von Hyperpolarisation, für der Verlängerung ihrer Lebensdauer und beim Transfer auf gewünschte Spins eingesetzt werden, die aber auch bei der Analyse komplexer Reaktionen und der dabei auftretenden Zwischenprodukte wertvolle Informationen bringen kann.