DOSY 測定講習会資料
DOSY 測定講習会資料
H. kumeta
1st draft 2022.5.7
last update 2023.4.27
1.

DOSY 概要

2.

測定前準備（これはすでに終了しているため、３に進む）(ア) Temperature Correction(イ) G/mm Calibration

3.

測定⽅法

4.

解析⽅法
(ア) Relaxation tool(イ) dynamic center (今回省略)

1DOSY 測定講習会資料
1.

DOSY 概要

図 1 ZGGPSE による DOSY 概要解説⽤イメージ
DOSY（Diffusion Ordered Spectroscopy）は、磁場勾配パルスを⽤いたサンプル中における分⼦の拡散速度を求める測定⽅法である。ベクトルモデルを⽤いて簡単に解説する。Y 軸上に倒した磁化ベクトルに対して、Z 軸に沿った磁場勾配パルスを照射すると、XY 平⾯に散逸する。この磁場勾配パルスは、サンプル管における縦⽅向の空間位置に依存した位相（ベクトルの回転⾓度）を与える。サンプル中央部分の変化⾓度を０度とし、観測部位の上端および下端⽅向に進むにつれ、中央からの距離に⽐例して変化⾓度は⼤きくなる。
その後、180˚パルス照射による磁化ベクトルの反転をさせたのちに、再度、同じ磁場勾配パルスを照射する。もし仮に、サンプル溶液中での分⼦拡散がない場合、この２番⽬の磁場勾配パルスによって元の⾓度の正反対位置に戻され、最⼤の信号強度を与える。この２番⽬の磁場勾配により散逸されていた位相を戻すことを再集結（refocus）と呼ぶ。分⼦拡散がある場合、サンプル中央部分にあった Y軸にそったベクトルは、時間経過によって縦⽅向の分⼦拡散が⽣じ、その次にうける磁場勾配による変化⾓度が変わる。つまり元の⾓度にもどることができず、これは結果として信号強度が減弱する。
分⼦拡散の速度に差がある分⼦の場合はどうなるか。分⼦拡散の速度が速い分⼦、すなわち分⼦量が⼩さい場合には、速い拡散速度によって２つ⽬の磁場勾配パルスによる再集結の効率は下がる。逆に分⼦拡散が遅い場合には、再集結の効率は上がる。結果としてスペクトル上では、拡散速度の速い分⼦の信号は、遅い分⼦のそれよりも信号減弱速度が速くなる。
このパルスシークエンスにおける２つの磁場勾配パルス、位相を散逸させるものと、再集結させるものとの間隔が分⼦拡散のための待ち時間になる。しかしこのパルスシークエンスでは、主に緩和の影響による信号減衰も同時に観測されてしまう。そのため、実⽤的な DOSY 測定には LED 法のパル2

DOSY 測定講習会資料
スシークエンスを⽤いる（Bruker でのパルス名、ledpgps2）。

図３ 実践的な LED 法による DOSY 測定イメージ
LED 法による DOSY のパルスシークエンスでは、磁場勾配を含むスピンエコーを基本ブロックとしており、この２つのブロック間の時間が分⼦拡散のための待ち時間である。磁場勾配を含むスピンエコーの基本ブロックでは、磁場勾配パルス照射時間による位相誤差を補正している。また、分⼦拡散ための待ち時間を固定し、磁場勾配の強度を変更しつつ測定する。前者は縦緩和の影響を排除するために⾏い、後者は横緩和の影響を無視するために⾏う。

DOSY は、サンプル中に対流がある条件では分⼦拡散を正しく求めることができない。そのためサンプルの温度を⼀定に保つ必要があり、Cryogenic probe での測定はやや不適切である。また、サンプル管のまわりにある程度の空間がある⽅が望ましく、測定温度によっては 5 mm のプローブに対して 3 mm 管を使⽤するなどの対応が必要になる。また、サンプルを測定温度に完全馴化させるために、測定装置にいれてから３０分以上（サンプルの状態によっては１⽇程度）、放置してから測定する。

3DOSY 測定講習会資料
2.

測定前準備
DOSY によって分⼦の拡散速度を求めるためには、磁場勾配の強度を正しく決定する必要がある。磁場勾配の強度は装置（分光計やプローブ）ごとに異なり、また経年劣化等によってコイルが変質していくことも考えられるため、本測定を仕掛ける前に磁場勾配の強度を校正する必要がある。
純⽔の拡散速度は、25˚C（278.2 298.2K）において決まった値（2.299 E-9 m2/s）をとる。これを⽤いて校正する。このとき、測定温度についても、事前に校正しておくことが望ましい。
(ア) Temperature Correction
4d-Methanol（CD3OD）を⽤いる。ピークの分裂幅からサンプル内の温度がわかる。
272 K と 303 K にてプロトン測定を⾏い、下記 url を参照し実測値を決定する。
http://chem.ch.huji.ac.il/nmr/software/thermometer.html
edte -> Correction -> [ Manual ]Calculate を開き、更⽣前表⽰値とメタノールによる実測値を⼊⼒し、Slope や Offset を計算する。
このとき、温度の単位はケルビンでなければならない。
Name や Comment は任意であるが、⽇付や校正条件がわかるほうが良いだろう。
Correction にある「Enable temperature correction with these values」にチェックを⼊れる。温度表⽰に、「Corr.」が追加されていれば、校正されている。
(イ) G/mm Calibration
milliQ ⽔などの純⽔をサンプルとして⽤いる。
lock や sweep はオフにする。
（bsmsdisp）
topshim のときには、以下のパラメータを使⽤する。
topshim rga lockoff nuc=1H o1p=4.7
DOSY 測定のためのパラメータを読み込んで測定を開始する。
rpar Diff_calib allpulsecal
xaua （zg は使⽤しない）

4

DOSY 測定講習会資料
解析⽅法の(ア)を参考に、現在の磁場勾配の強度値での Diff Con.値(m2/s)を求める。
gradpar から現在の磁場勾配の強度設定値（Gcc=Gradient calib. constant (G/mm)）を確認する。
以下の式を⽤いて、新しく校正した磁場勾配の強度値を求め、gradpar にて更新⼊⼒する。

5

DOSY 測定講習会資料
3.

測定⽅法
LED 法による DOSY 測定においては磁場勾配強度を変更しつつ測定する。通常の測定と測定実⾏コマンドが異なるので注意が必要。zg は使⽤せず、専⽤の「dosy」コマンドを⽤いる。
edc
rpar DOSY alllock / tuning / shimming
pulsecal / rga
分⼦拡散のための待ち時間の設定を⾏う。d20 を設定するが、[AcquParas]のタブからは設定できないためコマンドにて⾏う。
d20
d20 の適切な値は、測定したいサンプルの分⼦量による。およその⽬安は以下の通りである。
低分⼦量：20〜50 msec
⾼分⼦量：100〜300 msec
積算回数を決定する。⼗分な S/N が得られるように留意する。
ns「dosy」コマンドによる設定を⾏う。これにより質問形式でのパラメータ設定を⾏う。
ex.)

dosy
Enter first gradient amplitude (%)：5Enter final gradient amplitude (%)：95
Enter number of points：19
ramp type：ldosy コマンド直後に磁場勾配パルスの確認画⾯が表⽰される。磁場勾配パルスはデフォルトでSMSQ10.100（smooth square）の shaped pulse を⽤いている。
First / Final の gradient amplitude は、使⽤する磁場勾配強度の最⼩値と最⼤値である。
測定するポイント数は細かいほど、正しい拡散速度を求めることができる。10〜32 程度とする。
ramp type は、磁場勾配強度を割り振るときのパラメータである。linear（=l）
、squared（=q）
、exponential（=e）から選択する。linear は等間隔に割り振る。
（5, 10, 15...）dosy コマンド実⾏中は測定などの順番待ち（queued、zg はもちろん rga も含まれる）ができない。もし連続測定がしたい場合には au プログラムによる設定および xaua コマンドによる測定実⾏などが必要である。

6

DOSY 測定講習会資料
4.

解析⽅法
TopSpin 上での DOSY 解析は、Relaxation tool (コマンド t1t2)または dynamic center（同 dync）を使⽤する。
アカデミック版 TopSpin にはもしかすると dynamic center が⼊っていないかもしれない。
個⼈的に Relaxation tool の⽅が使い勝⼿が良いと思うため、こちらを⽤いて解説する。
(ア) Relaxation tool
測定終了後の処理
xf2（f2 のみフーリエ変換）.ph（位相補正）abs2（ベースライン補正）
setdiffparm（DOSY 解析⽤パラメータのテキスト（difflist）の書き出し）
Relaxation tool での処理
t1t2 (ツールの呼び出し)[Fid] -> [Spectrum] -> [1][Peaks/Ranges] -> [Manual Integration] -> 積分領域の分割指定[A 付きのフロッピーディスク] -> [Export Regions To Relaxation Module and .ret][Relaxation]（Relaxation window を開く）
Relaxation window

チェック項⽬のアイコン（Settings）をクリック（次ページ）

7

DOSY 測定講習会資料
Relaxation parameters のサブウインドウから、Fitting Function を確認する。
vargrad (Function Type)difflist (List file name)-> [Apply]
Fitting type を Area として、(≫)のボタン(Calculate fit for allpeaks)から計算を実⾏する。
Brief Report にてそれぞれのピークについての拡散速度が表⽰される。
+ボタンと-ボタンでピークを移動させると fitting カーブを確認できる。

今回の磁場勾配強度を変更しての DOSY 測定によって得られる減衰曲線から、分⼦の拡散速度を計算するときには、逆ラプラス変換を⽤いている。逆ラプラス変換は、装置間誤差や磁場勾配誤差、積分範囲や S/N ⽐に⾄るまで多くの測定条件に左右されやすい。そのため、拡散速度を⽐較する場合には同じ装置、同じ測定条件での⽐較が必要である。

8