Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale,...

download Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

of 42

Transcript of Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale,...

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    1/42

    Applicazioni della spettroscopia dirisonanza magnetica nucleare (NMR) nelsettore ambientale, vegetale e agro-

    alimentare

    Dr. Pellegrino Conte

    Dipartimento di Scienze del Suolo, dellaPianta e dellAmbiente

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    2/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

    IhI

    h

    ==

    2Magnetic moment

    gyromagnetic ratio

    2

    h=h Planck constant

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    3/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    4/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    5/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    6/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    7/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    8/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    9/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    10/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    11/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    12/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    13/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    14/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)CSA, strong dipolar couplings

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    15/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    16/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)Elimination of the Chemical Shift Anisotropy (CSA)

    )1cos3(2

    23

    r

    SIS

    h

    Magic angle spinning (MAS)

    =

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    17/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    18/42

    Short introduction to the theory of nuclear

    magnetic resonance spectroscopy (NMR)

    Static, no decoupling

    Static, decoupling

    MAS, no decoupling

    MAS, decoupling and/or CP

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    19/42

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    20/42

    Application of solid state NMR spectroscopy to the

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    21/42

    Application of solid state NMR spectroscopy to theanalysis of the soil organic matter

    -200-1000100200300400

    Mixture 1

    OCT=6ms

    A: COOH (CMC), C9 (Ferulic acid)

    A

    B: C3,4,7 (Ferulic acid)

    B

    C: C1,2 (Ferulic acid), Car(1-6) (HMB)

    C

    D: C5,6, 8 (Ferulic acid), C1 (CMC)D

    E: C2-C5 (CMC), C1 (SDS)

    E

    F: C10 (Ferulic acid), -CH2O-, and C6 (CMC)

    F

    Chemical Shift (ppm)

    G: C2-C11 (SDS)

    G

    H: C12 (SDS), Cal(7-12) (HMB)

    H

    -200-1000100200300400

    Chemical Shift (ppm)

    A

    B

    C

    D

    E

    F

    Mixture 2

    OCT=1.2ms

    G

    H

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    22/42

    Application of solid state NMR spectroscopy to the

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    23/42

    Application of solid state NMR spectroscopy to theanalysis of the soil organic matter

    Typical 13C-NMR spectra of natural organic matter in the solid state

    ppm(t1)050100150200

    A wood

    ppm(t1)050100150200250

    A protein (prion)

    ppm(f1)-1000100200300

    A humic acid

    Carboxylic groups

    Aromatic systems

    Anomeric carbons

    C-O groups (i.e. Carbohydrates)

    C-N groups (i.e. peptides)

    Aliphatic C

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    24/42

    5

    36

    13C-CPMAS

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    25/42

    28

    13

    199

    176

    131

    107

    75

    60

    35 28

    14

    69

    49

    70

    39

    29

    Bulk HA

    HA1

    243

    HA4

    HA5

    HA8

    HA9

    HA2 HA6 HA10

    HA11HA3 HA7

    01001502002500100150200250 50 010015020025050 50

    Chemical Shift (ppm)

    Analyses of Tea leaves by CPMAS 13C-NMR and 1H-HRMAS

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    26/42

    Analyses of Tea leaves byCPMAS 13C NMRand 1H HRMAS

    Chemical Shift (ppm)-1000100200300

    J

    K

    L

    M

    N

    174

    156

    145

    129

    105

    97

    73

    63

    56

    30

    E

    F

    G

    H

    I

    A

    B

    C

    D

    Chemical Shift (ppm)-1000100200300

    Chemical Shift (ppm)-1000100200300

    A = Star Green Tea

    B = Gu Zhan Mao Jian Green Tea

    C = Sir Winston

    Green TeaD = ScelgoBio Green Tea

    E = Star Black Tea

    F = PG-Tips Black Tea

    G = Gepa

    Black TeaH = Twinings Lemon Scented Black Tea

    I = Lipton Yellow Label Black Tea

    J = Harrods n. 42 Earl Grey Tea

    K = Darjeeling Earl Grey Tea

    L = Twinings

    Earl Grey TeaM = GS Earl Grey Tea

    N = Infr Decaffeinated Tea

    Analyses of Tea leaves by CPMAS 13C-NMR and 1H-HRMAS

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    27/42

    Analyses of Tea leaves by CPMAS 13C NMR and1H HRMAS

    E = Star Black Tea

    F = PG-Tips Black Tea

    G = Gepa

    Black TeaH = Twinings Lemon Scented Black Tea

    I = Lipton Yellow Label Black Tea

    A = Star Green Tea

    B = Gu Zhan Mao Jian Green Tea

    C = Sir Winston

    Green TeaD = ScelgoBio Green Tea

    J = Harrods n. 42 Earl Grey Tea

    K = Darjeeling Earl Grey Tea

    L = Twinings

    Earl Grey TeaM = GS Earl Grey Tea

    N = Infr Decaffeinated Tea

    Analyses of Radish seeds during germination

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    28/42

    y g g

    24h 48h 72h 96h

    Analyses of Radish seeds during germination

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    29/42

    y g g

    24h 48h 72h 96h

    Tegument

    Cotyledon

    Roots

    Analyses of Radish seeds during germination: CPMAS 13C-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    30/42

    y g g

    ppm (t1)050100150200

    0h

    24h

    48h

    72h

    Analyses of Radish seeds during germination: CPMAS 13C-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    31/42

    ppm (f1)-1000100200300

    Cotyledon

    0h

    24h

    72h

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    45

    50

    189-164 ppm 164-113 ppm 113-46 ppm 46-0 ppm

    Content

    (%)

    0h

    24h

    72h

    Cotyledon

    Analyses of Radish seeds during germination: CPMAS 13C-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    32/42

    Tegument

    ppm (f1)-1000100200300

    0h

    24h

    72h

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    189-164 ppm 164-113 ppm 113-46 ppm 46-0 ppm

    Content

    (%)

    0h

    24h

    72h

    Tegument

    Analyses of Radish seeds during germination: CPMAS 13C-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    33/42

    Roots

    0h

    24h

    72h

    ppm (f1)-1000100200300

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    189-164 ppm 164-113 ppm 113-46 ppm 46-0 ppm

    Content

    (%)

    0h

    24h

    72h

    Root

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    34/42

    ppm (t1)0.05.010.0

    24h

    48h

    72h

    96h

    Cotyledon

    0h

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    35/42

    Cotyledon

    010

    20

    30

    40

    50

    60

    7080

    90

    100

    8-6 ppm 6-5 ppm 4.5-3.0

    ppm

    3.0-2.5

    ppm

    2.5-0 ppm

    Content(%) 0h

    24h

    48h

    72h

    96h

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    36/42

    ppm (f1)0.05.010.0

    24h

    48h

    96h

    Tegument

    0h

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    37/42

    Tegument

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    8-6 ppm 6-5 ppm 4.5-3.0

    ppm

    3.0-2.5

    ppm

    2.5-0 ppm

    Conten

    t(%)

    0h

    24h

    48h

    96h

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    38/42

    ppm(f1)0.05.010.0

    0h

    24h

    48h

    72h

    96h

    Roots

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    39/42

    Roots

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    8-6 ppm 6-5 ppm 4.5-3.0

    ppm

    3.0-2.5

    ppm

    2.5-0 ppm

    Conte

    nt(%) 0h

    24h

    48h72h

    96h

    Analyses of Radish seeds during germination: HRMAS 1H-NMR

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    40/42

    0 24 48 72 960

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90 4.5-3.0 ppm2.5-0 ppm

    1H-HRMASContent

    (%)

    Time (h)

    Roots

    0 24 48 96

    2468

    10121416

    1820222426283032343638 4.5-3.0 ppm

    2.5-0 ppm

    1H-HRMA

    SContent(%)

    Time (h)

    Teguments

    0 20 40 60 80 1000

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    904.5-3.0 ppm2.5-0 ppm

    1H-HRMA

    SContent(%)

    Time (H)

    Cotyledons

    -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    4.5-3.0 ppm

    2.5-0 ppm

    1H-HRMASConten

    t(%)

    Time (h)

    Total Seeds

    Conclusions

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    41/42

    1. NMR spectroscopy is widely used for structural analyses of natural

    products. Typical NMR spectra are obtained in liquid state by applyingmonodimensional sequences for measurements of proton and carbons,

    or bidimensional sequences useful to obtain HC(=X) correlations

    2. Unconventional uses of NMR spectroscopy are those involving solidstate samples and materials whose physical state is in between the solid

    and the liquid one.

    3. Solid state NMR spectroscopy allows analyses of soil organic matter andall the systems (i.e. soils, minerals, polymer blends, pharmaceutycal

    products, and so on) hardly dissolving in the common deuterated

    solvents.

    4. High resolution magic angle spinning (HRMAS) NMR spectroscopy is

    used for the analyses of complex mixtures such as plant residues or food

    products.

    CERMANU

  • 7/30/2019 Applicazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) nel settore ambientale, vegetale e agro-alimentare

    42/42

    CERMANU