DNP RMN des Solides Instrumentation - Bruker · Innovation with Integrity DNP RMN des Solides...

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Innovation with Integrity DNP RMN des Solides Instrumentation 30 ème Réunion Utilisateurs RMN, 29 et 30 novembre 2016, Paris Fabien AUSSENAC, Applications RMN

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Innovation with Integrity

DNP RMN des Solides Instrumentation

30ème Réunion Utilisateurs RMN, 29 et 30 novembre 2016, Paris

Fabien AUSSENAC, Applications RMN

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30ème Réunion Utilisateurs RMN – 29-30 novembre 2016 – Maison de la Chimie, Paris

• Low nuclear polarization (P) at thermal equilibrium

B0

12

12

E DE

9.4 T (400 MHz) T=300 K

Spins difference between the 2 energy levels

is only 32 over 1 million!

Spin 1/2 nucleus in B0 magnetic field

● ● ● ●

● ● ● ● ●

Increasing the Sensitivity of NMR

• Pulses sequences

Transferts CP, INEPT

• High magnetic field

S/N B03/2 23.5 T, 1 GHz

• Reduction of electronic noise

Cryoprobe S/N ≈ factor 4

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Increasing the Sensitivity of NMR Hyperpolarization

● Ultra Low Temperature (few mK) ● Optical pumping (3He, 129Xe, MRI applications) ● Para Hydrogen Induced Polarization (PHIP)

● Dynamic Nuclear Polarisation (DNP)

Figure: Münnemann, Nature Physics, 2011, 7, 522

Hyperpolarization

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DNP: Dynamic Nuclear Polarization

• Transfer high electron polarization to nuclei:

• Irradiate at EPR frequency (GHz)

• Detect at NMR frequency (MHz)

• High potential gain in sensitivity: 10-100’s+

• Solid State DNP spectrometers: E B0

EPR

NMR

NMR

Magnetic Field

Microwave

Frequency

1H NMR

Frequency

9.4 T 263 GHz 400 MHz

14.1 T 395 GHz 600 MHz

18.8 T 527 GHz 800 MHz

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Solid-State DNP Spectrometer

Gyrotron

LT-MAS DNP probe

Transmission line

MAS cooling system

Rosay et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 5850 Rosay et al., J. Magn. Reson., 2016, 264, 88

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Solid-State DNP Spectrometer

Microwave source Gyrotron

DNP Probe

NMR Magnet

Low-temperature Magic Angle Spinning (LTMAS) Cabinet

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Gyrotrons for DNP-NMR Applications

Gyrotron Schematic

ELECTRON GUN

ANODE

CAVITY

LAUNCHER

MIRRORS

MILLIMETER WAVES

WINDOW

COLLECTOR

ELECTRON BEAM

SUPERCONDUCTING MAGNET

• DNP gyrotrons introduced by Robert Griffin and Richard Temkin at MIT

mc

eB

c

cRF harmonicnn

0

,~

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395 GHz DNP signal enhancement as a function of microwave power Sample: 1 M of 13C Urea in glycerol-d8/D2O/H2O

(60/30/10) with 10 mM AMUPol 108 K, 12 kHz, 3.2mm sapphire rotor

Gyrotron Microwaves Power Curve

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Gyrotron Magnet

9.7 T magnet

(527 GHz second harmonic)

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• Push button user interface: ON/OFF/Standby

• Controls and regulation:

• Temperatures, voltages, water cooling, gyrotron magnet

• Output power stabilization

Gyrotron Control System

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263, 395, 527 GHz Solids DNP

1H NMR WB NMR Magnet

Gyrotron Frequency

Harmonic Gyrotron magnet

400 MHz 400/89 Ascend DNP

263 GHz 2nd 4.8 T cryogen-free

600 MHz 600/89 Ascend DNP

395 GHz 2nd 7.2 T cryogen-free

800 MHz 800/89 USP RS 527 GHz 2nd 9.7 T cryogen-free

• Second-harmonic with cryogen-free gyrotron magnets for all frequencies:

– Combined site planning guide 263, 395 and 527 GHz

– Yearly control system/high voltage safety service visit. Gyrotron magnet

service required every 2 years

• Sweep coils on all new DNP NMR magnets

• Plus LTMAS cooling system and DNP probe

• Applications areas: biological solids and material science with enhanced sensitivity

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Sweep coils on all New DNP NMR Magnets

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

398.7 398.9 399.1 399.3 399.5 399.7 399.9 400.1 400.3 400.5

1H Frequency (MHz)

Field dependence curve on 13C Proline in glycerol-d8/D2O/H2O with 15 mM TOTAPOL

400 MHz/263 GHz

DN

P g

ain

(a.

u.)

Power supply

• Different radicals • Samples with endogenous radicals

• Direct DNP on X nuclei

400 DNP Ascend ± 750 Gauss

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• Available for different rotor sizes: 3.2 mm (28 μL, 15 kHz) 1.9 mm (10 μL, 25 kHz) 1.3 mm (2 μL, 40 kHz)

• H/X/Y and H/X WB probes

• Low sample temperature and R.F. circuit ~100 K

• Cold insert/eject capability

• Individual heaters for VT, bearing

and drive gases for optimal temp. control

• Waveguide for microwave irradiation

• Long term operation (days, weeks)

Low temperature (LT) MAS DNP Probe

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Axial cross section of a 3.2mm MAS system

Upper part of a 3.2mm LT-MAS DNP probe

LT-MAS DNP Probe

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30ème Réunion Utilisateurs RMN – 29-30 novembre 2016 – Maison de la Chimie, Paris

LT-MAS DNP Probe

Probe Base

Microwave Waveguide from Gyrotron

Cold Gas and Vacuum Lines From LTMAS Cabinet

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DNP MAS Rotors

• 3.2 mm: sapphire rotors, zirconium oxide drive caps

• Silicon plugs inserts

• Teflon inserts

• 1.9 & 1.3 mm: zirconia rotors, Vespel drive & bottom caps

1.3 mm

2 mL

40 kHz

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LT-MAS Heat Exchanger

he

Heat

Chamber heater

Pt100 detects

LN2 filling level

Warm gas in at

2 bar

Cold gas outlet

Exchanger Coil

Chamber P=2.5 bar Boiling @ T= 90 K

60L LN2 Dewar @ 77K

Pressure sense

condensation

P. Allen, F. Creuzet, H.J.M. deGroot, R.G. Griffin, J. Magn. Reson., 1991, 92, 614

• Pressurized heat exchanger chambers

• Automatic refill of liquid nitrogen supply

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● Twelve 263 GHz/ 400 MHz ● Ten 395 GHz/ 600 MHz ● Five 527 GHz/ 800 MHz

527 GHz/ 800 MHz

Solid-State DNP Spectrometers 27 Installed Spectrometers WW (Oct. 2016)

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30ème Réunion Utilisateurs RMN – 29-30 novembre 2016 – Maison de la Chimie, Paris 9. Dezember 2016 19 © Copyright Bruker Corporation. All rights reserved