NMR応用例

概要

　核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance：NMR)法は、分子の化学構造や運動性、相互作用などを調べる手法で、有機化学をはじめとして高分子化学、生物化学、医学等の広い分野で活用されています。
　本資料ではNMRスペクトルの各ピークの自己拡散係数が得られる2次元NMR測定法であるDOSYを紹介します。DOSYにより混合物試料の複雑なスペクトルを分子ごとに分離して単純化することが可能です。

DOSY（Diffusion Ordered Spectroscopy）とは

　DOSYはパルス磁場勾配（PFG）を利用して分子の拡散運動を観測する測定法です（図1）。DOSYではPFGによりNMR試料管中の位置ごとに異なる大きさの磁場を与えられることを利用し、①PFGを照射して分子に位置情報を刷り込んだ後、②分子が拡散するのを待ち（Δ = 20～100 ms）、③最初のPFGを打ち消すようにPFGを再照射し、④NMR信号を観測します。結果として、分子の拡散による変位（すなわち拡散係数）が大きいほどPFGの影響が残りNMR信号強度が低下します。
　PFG強度を変化させた一連の1次元DOSYスペクトルを取得しピーク強度の減衰曲線を解析することで拡散係数を算出でき（図3）、拡散係数を縦軸、化学シフトを横軸に表示して2次元DOSYスペクトルが得られます（図4）。

分析方法・分析装置

試料

　低分子混合モデル溶液（ビタミンB6、タウリン、メントール）

結果

　混合物試料の1次元¹H NMRスペクトルを図2に示します。図2より、通常の1次元NMRスペクトルではどのピークが同一分子に由来するかを識別することは困難であり、混合物の解析は難易度が高くなります。そこでDOSYにより成分毎にスペクトルを分離することを試みました。

　PFG強度gを変化させた一連の1次元DOSYスペクトルと、代表としてピーク1の強度減衰プロットを図3に示します。図3中の理論式に従い対数プロットの傾きより自己拡散係数Dが得られます。

　得られた試料の2次元DOSYスペクトルを図4に示します。図4より、試料は溶媒以外に拡散係数の異なる3成分(A、B、C)を含有することが分かりました。続いて成分ごとに1次元スペクトルを抽出し同定を試みました。

　2次元DOSYスペクトルより抽出した成分A、B、Cの1次元投影スペクトルと分離前の¹H NMRスペクトルとの比較を図5に示します。図5より、混合物の複雑なスペクトルはDOSYで成分毎に分離することにより単純化され、データベース検索等により成分AはビタミンB6、成分Bはタウリン、成分Cはメントールと同定されました。

　DOSYの欠点として、重複ピークの解析が苦手で精確なDが得られない場合があります（図4、成分Cの水との重複ピーク）。ピーク重複を避けるには、¹Hよりも分離に優れる多核DOSY （¹³C INEPT-DOSY, 広帯域¹⁹F DOSY）や、¹Hのピーク分裂を無くすPure shift NMR法の適用（PSYCHE-iDOSY）が有効です。

まとめ

　DOSYは混合物試料を各分子の自己拡散係数に基づいてスペクトル上で分離することが可能な2次元NMR測定法で、従来NMRが不得意であった混合物の解析を可能にします。本測定は700MHz NMR（5mmCryoプローブ）の活用により、高感度・高分解能化が可能です。