Hochauflösende Probenköpfe für 19F NMR Anwendungen · Innovation with Integrity), lat. Aitor...

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Innovation with Integrity Aitor Moreno Vierzigste Bruker NMR Benutzertagung 2016, Karlsruhe 09. November 2016 Hochauflösende Probenköpfe für 19 F NMR Anwendungen Fluorit (CaF 2 ), lat. fluores

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Innovation with Integrity

Aitor Moreno Vierzigste Bruker NMR Benutzertagung 2016, Karlsruhe 09. November 2016

Hochauflösende Probenköpfe für 19F NMR Anwendungen

Fluorit (CaF2), lat. fluores

Wieso 19F NMR?

• I=1/2, 100% nat. Häufigkeit

• 𝛾 19𝐹𝛾 1𝐻

= 94.09%

• Grosser chemischer Verschiebungsbereich (+440 bis -450 ppm) • Hohe Empfindlichkeit von 19F gegenüber der chemischen Umgebung • Referenzsubstanz: CCl3F (δF =0ppm)

• Verwendung von 19F in Pharmazeutika:

• Höhere metabolische Stabilität • Erhöhte Membran Permeabilität • Erhöhte Affinität zum Ziel-Enzym

• 19F enthaltende Insektizide / Herbizide / Fungizide

• 19F enthaltende synthetische Polymere

2

3 3

19F NMR Anwendungen

• Probenkopf Aufbau (Innere/Äussere Spule)

• Doppel Resonanz Anwendungen • BBO H&F • BBFO SmartProbe

• Tripel Resonanz Anwendungen

• TXO Probe • TBO Probe

• CryoProben für höchste 19F Empfindlichkeit • TCI H&F Cryoprobe • QCIF Cryoprobe

RF Design & RF Effizienz: B1 / ISpule

Wie lässt sich die RF Effizienz verbessern?

S

N

UI

UN

ω . Mo . V . η . (B1 / ISpule)

4 . k . ∆f . R . T α α

• Optimiere RF Spulen Design & RF Spulen Material

• Verkleinere RF Spulen Durchmesser

4

Probenkopf Aufbau

X-Kern innere Spule: “OBSERVE” Proton innere Spule: “INVERSE”

1H (Proton) X-Kern

Breitband

Doppelresonanz Breitband Inverse BBI

Doppelresonanz Breitband Observe BBO

{109Ag – 31P}

5

Probenkopf Aufbau

X-Kern innere Spule: “OBSERVE” Proton innere Spule: “INVERSE”

1H (Proton) X-Kern

Breitband

1H (Proton) X-Kern Breitband

Doppelresonanz Breitband Inverse BBI

Doppelresonanz Breitband Observe BBO

6

7.07.27.47.67.88.08.28.48.68.8 ppm 7.07.27.47.67.88.08.28.48.68.8 ppm

BBI BBO

7.07.27.47.67.88.08.28.48.68.8 ppm 7.07.27.47.67.88.08.28.48.68.8 ppm

BBI BBO

BBI

(Proton innere Spule) BBO

(Proton äussere Spule)

1H Empfindlichkeit von BBI und BBO

1H NMR, Cyclosporin 7

BBI (13C äussere Spule)

BBO (13C innere Spule)

13C DEPT135, Cyclosporin

13C Empfindlichkeit von BBI und BBO

8

9 9

19F NMR Anwendungen

• Probenkopf Aufbau (Innere/Äussere Spule)

• Doppel Resonanz Anwendungen • BBO H&F • BBFO SmartProbe

• Tripel Resonanz Anwendungen

• TXO Probe • TBO Probe

• CryoProben für höchste 19F Empfindlichkeit • TCI H&F Cryoprobe • QCIF Cryoprobe

BBO Aufbau Erweiterung auf 19F

BBO H&F

BBF {109Ag – 31P, 19F}

1H 1H / 19F

BB {109Ag – 31P}

BBFO SmartProbe

10

1H oder 19F

BBO H&F Abgestimmt auf H

BBO H&F

1H / 19F

BB {109Ag – 31P} F O

F3C FF

H

2JH,F

Abgestimmt auf 1H

1H NMR

11 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl-ethyl-ether in CDCl3

2JH,F

2JH,F

BBO H&F Abgestimmt auf F

BBO H&F

1H / 19F

BB {109Ag – 31P}

F O

F3C FF

H

Abgestimmt auf 19F

19F NMR

12

2JH,F

1H{19F}

1H

1H

BBF: 19F

BBFO SmartProbe

BBFO SmartProbe

BBF: Abgestimmt auf 19F

2JH,F

1H NMR

13

19F

19F{1H}

F O

F3C FF

H

1D 19F NMR mit 1H Entkopplung

BBFO SmartProbe

14

3700:1

8060:1

19F Empfindlichkeit - mit und ohne 1H Entkopplung

15

TFT Hexafluoropropylethyl-ether

F O

F3C FF

H

Fluoro-uracil

400MHz, lb=0.5Hz, 1ppm noise range

SNR ratio (decoupled/coupled) 2.2 5.6

19F

19F{1H}

2.7

BBFO SmartProbe

19F - 1H Korrelationen 2D HOESY

16

-8.5

-8.3

Log(m2/s) F O

F3C FF

H

1H DOSY

ohne und mit 19F Entkopplung

BBFO SmartProbe

17

Standard Probe Mit 19F Grundsignal Minderungsmassnahmen

• SmartProbe Versatiler Probenkopf für verschiedene Anwendungen

SmartProbe 19F Grundsignal

18

• 19F Grundsignal Minderungsmassnahmen sind Standard bei folgenden Probenkopf Typen:

19F Grundsignal Optimierung

19

Inverse Observe SEF

TXI (HFC) TXO (CFH) TBO (BB-H/F)

QXI QXO QCI

Für alle anderen Probenköpfe sind 19F Grundsignal Minderungsmassnahmen optional, insbesondere auch alle «H&F» Köpfe

• Cryoproben Version des SmartProbe Designs

• Alle 19F{1H} und 1H{19F} Experimente möglich

1H

BBF {15N - 31P, 19F}

CP BBFO

BBFO CryoProbe

20

DNA/RNA NMR: Fokus auf 19F

• 1H/19F COSY, HOESY, NOESY, HSQC und HMBC Experimente

2’-Fluoro-ribose: 1H/19F COSY (oben) HOESY (unten)

H1’ H2’ H3’

Courtesy Clemens Anklin 21

1’

22 22

19F NMR Anwendungen

• Probenkopf Aufbau (Innere/Äussere Spule)

• Doppel Resonanz Anwendungen • BBO H&F • BBFO SmartProbe

• Tripel Resonanz Anwendungen

• TXO Probe • TBO Probe

• CryoProben für höchste 19F Empfindlichkeit • TCI H&F Cryoprobe • QCIF Cryoprobe

Tripel Resonanz Anwendungen – simultane BB Entkopplung auf zwei Kernen

BB Entkopplung 1H

13C

19F BB Entkopplung

BB Entkopplung 1H

19F

19F{1H}, 1H{19F} 13C{1H,19F}, 19F{1H,13C}, 1H{19F,13C}

Doppel Resonanz:

Tripel Resonanz:

SmartProbe 2 RF channels 1 Proton amplifier (QNP switch)

TXO or TBO probe 3 RF channels 2 Proton amplifiers

23

24 24

Tripel Resonanz 19F Anwendungen mit TXO Proben (13C, 19F, 1H)

• 19F{1H}, 1H{19F} sowie 13C{1H,19F}, 19F{1H,13C}, 1H{19F,13C}

• TXO Proben verfügbar in zwei Versionen: • Priorität auf 19F (F/C/H) • Priorität auf 13C (C/F/H)

• VT Bereich: -150 bis +180° C

• 19F Grundsignal Minderungsmassnahmen

• Volle Automation für alle Experimente with C, F & H

1H & 19F

13C

Priorität auf 13C: TXO C/F/H

19F Sensitivity: 0.05% Trifluorotoluol in CDCl3

19F Empfindlichkeit mit 1H Entkopplung SiNo: 827:1 (lb=0.5 Hz; 1 ppm noise region)

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

25

1D 1H NMR

F O

F3C FF

H

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

26

1H

1H{19F}

1H{19F,13C}

* Verunreinigung

* * * *

1D 1H NMR mit 19F und 13C Entkopplung

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

27

19F

19F{1H}

F O

F3C FF

H

1D 19F NMR mit 1H Entkopplung

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

28

19F

19F{1H}

F O

F3C FF

H

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

1D 19F NMR mit 1H Entkopplung

29

19F{13C}

19F

19F{13C,1H} F O

F3C FF

H

1D 19F NMR mit 1H und 13C Entkopplung

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

30

F O

F3C FF

H

1H, 13C HMBC

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

31

F O

F3C FF

H

1H, 13C HMBC mit 19F Entkopplung in F1

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 19F

32

33 33

Tripel Resonanz 19F Anwendungen mit TXO Proben

• 19F{1H}, 1H{19F} sowie 13C{1H,19F}, 19F{1H,13C}, 1H{19F,13C}

• TXO Proben verfügbar in zwei Versionen: • Priorität auf 19F (F/C/H) • Priorität auf 13C (C/F/H)

• VT Bereich: -150 bis +180° C

• 19F Grundsignal Minderungsmassnahmen

• Volle Automation für alle Experimente with C, F & H

1H & 19F

13C

Priorität auf 13C: TXO C/F/H

19F Priorität (F/C/H)

1D 13C NMR mit 1H und 19F Entkopplung

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 13C

13C Priorität (C/F/H)

34

19F decoupling at -76 ppm

19F decoupling at -212 ppm

No 19F decoupling

1D 13C NMR mit 1H und 19F Entkopplung

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 13C

35

F O

F3C FF

H

1H, 13C HSQC

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 13C

36

1H, 13C HSQC Ohne 19F Entkopplung 19F Entkopplung in F2 19F Entkopplung in F2 und F1

400MHz TXO Probe mit Priorität auf 13C

37

38 38

19F NMR Anwendungen

• Probenkopf Aufbau (Innere/Äussere Spule)

• Doppel Resonanz Anwendungen • BBO H&F • BBFO SmartProbe

• Tripel Resonanz Anwendungen

• TXO Probe • TBO Probe

• CryoProben für höchste 19F Empfindlichkeit • TCI H&F Cryoprobe • QCIF Cryoprobe

5mm TBO BB-F/H Probe

• Empfindlichkeit optimiert auf X Kern Detektion

• Tripel Resonanz: X-F-H mit X als Breitband

• BB Breitband (31P-15N) • Volle Automation für alle Experimente mit

X, F & H

1H & 19F

BB {15N – 31P}

TBO BB-F/H

39

10 mg Fluorouracil in 0.5 ml DMSO-d6 • 19F, 13C HSQC (mit 1H Entkopplung) • ns = 1 • 2k x 128 Datenpunkte

• 2.5 min. Aufnahmedauer

ppm

-170.0 -170.5 -171.0 -171.5 -172.0 -172.5 ppm

125

130

135

140

145

150

155

160

5mm TBO BB-F/H Probe

40

41 41

19F NMR Anwendungen

• Probenkopf Aufbau (Innere/Äussere Spule)

• Doppel Resonanz Anwendungen • BBO H&F • BBFO SmartProbe

• Tripel Resonanz Anwendungen

• TXO Probe • TBO Probe

• CryoProben für höchste 19F Empfindlichkeit • TCI H&F Cryoprobe • QCIF Cryoprobe

CryoProbe: RF Spulen Temperatur

S

N

UI

UN

ω . Mo . V . η . (B1/ISpule)

4 . k . ∆f . R . T α α

S/N versus Temperatur (K)

2

3

4

1 25K 293K

CryoProbe (He, ~20K)

CryoProbe Prodigy (N2, ~85K)

42

H&F CryoProben

• H&F CryoProben mit 1H Spule abstimmbar auf 19F

• Proben mit höchster 19F Empfindlichkeit

(ohne 1H Entkopplung)

• 19F{1H} und 1H{19F} Experimente nicht möglich

• Gut für 19F falls keine Alternative verfügbar ist

• Geeignet für 19F bei breiten Linien (PrOF NMR) 13C & 15N

1H / 19F

TCI H&F

43 PrOF NMR: Protein Observed Fluor NMR

• H/F/C/N Probe, fixe Frequenzen für Proton, Fluor, Carbon und

Nitrogen

• Proben mit höchster 19F Empfindlichkeit

(mit 1H Entkopplung)

• Alle 19F{1H} und 1H{19F} Experimente möglich

• Ermöglicht jede Kern Kombination

mit 4 Kanal Spectrometer

• Geeignet für 19F Ligand basiertes Screening

13C & 15N

1H & 19F

QCI HFCN

QCI HFCN CryoProbe

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19F markierter Ligand in Protein Komplex

PROTEIN: 18kDa, < 1mM 19F LIGAND: 2-facher Überschuss

gebundener Ligand Linienbreite = 18Hz

1D 19F{1H} NMR

Spin Echo CPMG freier Ligand Linienbreite = 4Hz

QCIF CryoProbe 45

Acknowledgements

• Applikationskollegen Bruker Biospin Rainer Kümmerle, Helena Kovacs, Clemens Anklin

• R&D Bruker BioSpin

Danke!

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