Investigations of Nonionic Surfactants and a Novel Polarization Transfer Mechanism for Dynamic Nuclear Polarization Enhanced NMR

In dieser Arbeit wurde die Signalverstärkung in Festkörper Kernresonanz-Experimenten (engl. Nuclear Magnetic Resonance, NMR) mittels Dynamischer Kernpolarisation (engl. Dynamic Nuclear Polarisation, DNP) an Polyethylenglykol (PEG) und Tensiden auf PEG Basis untersucht. Diese wurden in der Vergangenheit in ihrer bulk-Phase wenig beachtet. In ihrer flüssigen Phase eignen sie sich hervorragend als Ersatz für gängige organische Lösungsmittels, da sie eine hohe Biokompatibilität aufweisen.
Die PEG-bezogenen nichtionischen Tenside, C10E6, C11E6P1, Triton X-100 und PEG 200, wurden mittels DNP verstärkter Festkörper-NMR-Spektroskopie und Differentialthermoanalyse (engl. Differential Scanning Calorimetry, DSC) untersucht. Bei allen Proben konnte Signalverstärkung mittels DNP beobachtet werden und es konnte gezeigt werden, dass DNP NMR ein geeignetes Werkzeug zur Analyse von Wechselwirkungen zwischen den Radikalen als gelöste Stoffe und den Tensiden als Lösungsmittel ist. Während dieser Studien wurden für DNP verstärkte 13C-NMR-Spektren unter Magic Angle Spinning (MAS)-Bedingungen überraschenderweise zwei Sätze von Resonanzen in jedem Spektrum identifiziert. Der erste Satz an Resonanzen ist gekennzeichnet durch breite Linien, während die Linien des zweiten Satzes deutlich schärfer und um 180° phasenverschoben sind. Diese Resonanzen wurden im Detail analysiert und die Existenz von zwei separaten Polarisationstransferprozessen für 13C DNP NMR Spektren postuliert.
Der erste ist der allgemein bekannte Mechanismus, der in jedem 13C DNP NMR Experiment mit direkter Polarisation vorhanden ist und bei dem die Polarisation direkt von den Elektronen auf die 13C Kerne übertragen wird. Hier werden für den sogenannten „direkten Kanal“ hauptsächlich die Kerne in der Nähe des Radikals polarisiert. Dieser Mechanismus dominiert mit zunehmender Radikalkonzentration.
Der zweite Mechanismus ist ein neu beobachteter indirekter Mechanismus zur Polarisationsübertragung, bei dem zunächst die 1H-Kerne polarisiert werden und anschließend die Polarisation über das Protonenspinreservoir durch einen Nuclear Overhauser Effect (NOE) basierten Kreuzrelaxationsmechanismus auf die 13C-Kerne übertragen wird. Die resultierenden Resonanzen sind um 180° phasenverschobene schmale Signale im 13C DNP Spektrum.
Es konnten Experimente zur Unterdrückung des indirekten Kanals durch die Anwendung einer Sequenz von 180°-Pulsen auf die 1H-Kerne während des 13C DNP Aufbaus oder durch den Einsatz eines T2-Filters erstellt werden. Die mit dem indirekten Kanal polarisierten 13C Spektren können von den Spektren des direkten Kanals getrennt werden, indem die Differenz der 13C Spektren mit und ohne 1H 180° Pulsfolge gebildet wird. Dieser neuartige Polarisationsübertragungsmechanismus wurde in den vier analysierten Tensiden sowie für organische gelöste Substanzen in PEG 200 nachgewiesen und im Detail analysiert. Weitere Studien ergaben den gleichen Mechanismus für mehrere neuartige DNP Radikale in 1,1,2,2-Tetrachloroethane (TCE) sowie für drei Aminosäurebausteine, die mit markiert waren. DSC-Messungen bestätigten, dass die Kreuzrelaxation vom Typ NOE, die den indirekten Mechanismus verursacht, durch molekulare Bewegungen, die bisher unbekannt waren, beeinflusst wird. Des Weiteren wurde auch geprüft, ob durch den indirekten Mechanismus auch Polarisation auf weitere Atomkerne, wie 31P übertragen wird. In den in dieser Arbeit untersuchten Spin-markierten Modellprotein-Sulfoxidasen wurde ein solcher Effekt allerdings nicht beobachtet. In this work, the signal enhancement in solid-state DNP NMR experiments was investigated on PEG and surfactants on PEG basis. In the past, these substances were only little noticed as solids in their bulk phase. In their liquid phase, however, they are ideal as a replacement for common organic solvents, as they have high biocompatibility. The PEG related nonionic surfactants, namely C10E6, C11E6P1 and Triton X-100 and polyethylene glycol (PEG 200) itself were studied by dynamic nuclear polarization (DNP) enhanced solid state NMR spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC). All samples were successfully hyperpolarized with DNP and it was shown that DNP NMR is a suitable tool to analyze interactions of radicals as solutes with surfactants as solvents.
During these studies it was discovered for DNP enhanced 13C magic angle spinning (MAS) spectra, that surprisingly two sets of resonances are present in each spectrum, one with broad and one with sharp spectral features that are 180° opposite in phase. Therefore, these resonances were analyzed in detail and the existence of two separate polarization transfer processes for 13C DNP NMR spectra was discovered.
The first one is the well-known mechanism that occurs in any direct polarization 13C DNP NMR experiment, where the polarization is transferred directly from the electrons to the 13C nuclei. For this direct channel mechanism mainly the nuclei in the vicinity of the radical are polarized. This mechanism becomes dominant with increasing radical concentration. The second mechanism is a newly observed indirect polarization transfer mechanism, in which the 1H nuclei are first polarized, and then the polarization is transferred to the 13C nuclei through the proton spin pool through a NOE-based cross-relaxation mechanism. The resulting resonances are 180 ° out of phase narrow signals in the 13C DNP spectrum. It was feasible to establish experiments to suppress the indirect channel pathway by application of a sequence of 180° pulses on the 1H nuclei during the 13C DNP build-up or the use of a T2 filter. The indirect channel polarized 13C spectra can be separated from the direct channel spectra by taking the difference of the 13C spectra with and without 1H 180° pulse train.
This novel polarization transfer mechanism was detected and studied in detail for the four analyzed surfactants as well as for organic solutes in PEG 200. Further studies revealed the same mechanism for several novel DNP radicals and three amino acid building-blocks in TCE. DSC measurements verified that the NOE type cross relaxation causing the indirect channel mechanism was affected by molecular motions in the samples, which were unknown thus far. Furthermore, it was investigated, if other nuclei, like 31P can also be polarized via the indirect channel mechanism. This was studied for spin-labeled model protein sulfoxidase, where no indirect channel signals were recorded.