Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N uclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ?

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N uclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ?"— Előadás másolata:

1 Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N uclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ? Spektrum = színkép ? Az anyag (minta, vizsgált molekula) és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatását vizsgáljuk. Kölcsönhatás leggyakoribb formája : abszorpció Az elektromágneses sugárzás tipusai : hullámhossz (  cm)  -sugár Röntgen UV VIS IR  -hullám radio

2 A molekulák (elemi részecskék) nem vehetnek fel tetszőleges energiaállapotot. (Kvantumelmélet) Magasabb frekvencia – nagyobb energia Hullámhossz-energia : fordított arányú összefüggés. A hullámhossz/frekvencia függvényében minőségileg más – más tipusú kölcsönhatások jönnek létre, más jellegű belső energiák változnak meg. : „Kvantumlétra.”  /Röntgen-sugárzás – belső héj elektronjai, magenergiák UV/VIS – vegyérték(kötő)elektronok IR – rezgési energiák(kötéshossz/kötésszög) NMR – Magspin energiák  E = h E

3 Az NMR spektroszkópia jelentősége Szerkezeti kémia Szerves kémia: Minőségi analízis. Új vegyületek szerkezetvizsgálata. Enantiomer tisztaság vizsgálata. Természetes vegyületek szerkezetvizsgálata.. Metabolitok vizsgálata Fizikai-kémiai vizsgálatok Gazda-vendég kölcsönhatások. Reakciókinetika Makromolekulák háromdimenziós szerkezete Peptidek, fehérjék, enzimek DNS/RNS, DNS/RNS komplexek Poliszaharidok Gyógyszerkutatás Receptor kötődési vizsgálatok Orvostudomány: diagnosztika Magnetic Resonance Imaging (MRI)

4 Az atommagok egy makroszkópikusan nehezen értelmezhető sajátsággal, un. spinnel rendelkeznek Az NMR spektroszkópia számára csak azok az atommagok érdekesek, ahol a spinkvantumszám ( I )  0 Az atommagok csoportositása : Páros tömegszám és rendszám  I = 0 ( 12 C, 16 O) Páros tömegszám és páratlan rendszám  I = egész szám ( 14 N, 2 H, 10 B) Páratlan tömegszám  I = 1/2, 3/2, 5/2…stb ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P) Másik lehetséges csoportositás NMR szempontból: természetes előfordulás szerint Egy mag lehetséges spinállapotai ( m ) m neve: mágneses kvantumszám m = I, ( I - 1), ( I - 2), …, - I

5 A legfontosabb (és általunk tárgyalt ) magok ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P) esetén I = 1 / 2, tehát Ennek eredményeképpen csak két energiaszintet kell figyelembe vennünk Az atommagok további fontos paramétere az un. mágneses momentum (  ), amelyet kifejezhetünk: Ez egy vektormennyiség, amely megadja a mag által reprezentált „elemi mágnes” irányát és nagyságát, ahol h a Planck konstans  a giromágneses állandó, amely függ a mag anyagi minőségétől. Minden egyes mag mágneses momentuma (és természetesen giromágneses állandója) különböző. m = 1 / 2, - 1 / 2  =  I h / 2 

6 Egy spin energiája egy polarizáló külső mágneses térben ( B o, ) a tér nagyságától és a mágneses momentumtól (  függ. A külső B o tér bekapcsolásakor a spinek energiája felhasad. Két energiaszint lép fel, a külső térrel paralell és antiparallel állapot. Az energia a két vektor szorzataként írható le a követ- kezőképpen Az energiakülönbség a két nívó,  and , között Az energiakülönbség a polarizáló B o, tértől függ. A nivók. benépesítettsége  E függvénye, amit egy Boltzmann tipusú eloszlásból kiszámíthatunk  A  E 1 H esetén 400 MHz-en (B o = 9.4 T) 4 x Kcal / mol. BoBo  BoBo  E = -    B o E  = -  h B o / 4  E  =  h B o / 4   E =  h B o / 2  N  / N  = e  E / RT Az N  / N  arány csak

7 NMR mérés érzékenysége Érzékenységet befolyásoló tényezők 1) Giromágneses tényező :  3 (   N  / N   a tekercs mágneses fluxusa) 2) Természetes előfordulás (izotóp %) pl : 13 C mérés 64-szer érzéketlenebb a giromágneses tényező értéke miat ! Amennyiben a temészetes előfordulást 13 C (~1%) is számbavesszük, 6400 –szer kevésbé érzékeny ! A rezonancia-frekvencia az energiakülönbség értékéből számítható:   E = h o  E =  h B o / 2  1 H magokra a jelenleg ismeretes mágnesek (2.35 – 23.5 T) esetén a rezonancia 100 MHz és 1 GHz közötti értéken jöhet létre  13 C = 6,728 rad / G  1 H = 26,753 rad / G  o =  B o / 2 

8 o értékéből adható meg a precesszó sebessége, az un. Larmor frekvencia  o, i   o  =  2  o    o  =  B o (radian) A precesszió magyarázata : minden mag (mágneses és nem-mágneses) rendelkezik szögmomentummal (( L) A magokat mint kis mágneseket képzeljük el, melyek tengelyük körül forognak A spinekre két erő hat a polarizáló mágneses tér bekapcsolása után: B o, kényszeríti a térirányba történő beállást igyekeznek megtartani a szögmomentumot BoBo oo  L  L

9 Eredő mágnesezettség A mintát alkotó elemi mágneses momentumok a B 0 tér bekapcsolása után rendezettséget mutatnak. Ennek eredménye az eredő mágnesezettség megjelenése, melyet egy koordinátarendszerben ábrázolva érthetünk meg Ha felbontjuk a  vektort a z and,komponensekre MoMo y x z x y z BoBo BoBo A mágneses térrel parallel és antiparallel beállású vektorok aránya N  / N . x y = = “0” z z Az eredő mágnesezettség a B o irányába mutat, ezt hasznosítjuk az NMR -benl

10 Az NMR jel észlelése Az NMR jel észlelése A B 0 tér bekapcsolása (illetve a minta mágneses térbe való helyezése) még nem eredményez NMR jelet, csak a nívók (egyébként nem észlelhető) felhasadását A mintának energiát kell abszorbeálni. Az energiát egy oszcilláló elektromágneses sugárzással tudjuk biztosítani. ( B 1 tér bekapcsolása) MoMo z x i B 1 = C * cos (  o t) B1B1 adótekercs (y) y BoBo B 1 kikapcsolva MoMo z x B1B1 z x M xy yy oo oo BoBo BoBo

11 Az mágnesezettség észlelése Az M xy mágnesezettség észlelése A B 1 oszcilláló mágneses tér kikapcsolása után az M xy vektor vissza fog térni a z tengely irányába ( egyensúlyi M o,) és visszaáll az eredeti spineloszlás (N  / N  ) relaxáció M xy vektor visszatérése z tengely irányába: precesszió az sikban Az M xy vektor oszcillációja egy változó mágneses teret jelent, amely egy tekercsben áramot indukál: z x M xy y z x y Vevőtekercs (x) MoMo  NMR jel egyensúly. oo z x M xy y oo BoBo

12 Az NMR spektrométer Az NMR spektrométer Az NMR spektrométer alapvetően egy nagy és drága FM rádió. Mágnes- Ma döntően szupravezető mágnesek. Frekvenciagenerátor – Előállítja az  o frekvenciát, amely a B 1 teret indukálja. CW és pulzustechnika. Detektor - érzékeli a mágnesezettséget az síkban Recorder - XY plotter, oszcilloszkóp, számítógép, stb É D BoBo B1B1 Detektor Frekvencia generátor Rekorder Mágnes

13 NMR spektrométerek egykor és ma

14 A kémiai eltolódás jelensége Ha minden magnak egy jellemző  o Larmor freknciája van egy adott mágneses térben, mire jó az NMR spektroszkópia? Minden egyes mag megérzi azt a kémiai környezetet, amely befolyásolja a körülötte kialakuló effektív mágneses teret, mely a polarizáló és a helyi mágneses tér együttes hatására alakul ki körülötte B eff = B o - B loc --- B eff = B o ( 1 -  )  neve : mágneses árnyékolás. A mágneses árnyékolást befolyásolja a szomszédos magok, csoportok jelenléte, az elektronfelhő, azaz a molekulában levő kötések, hibridállapot stb. Ennek alapján az etanol spektrumának így kellene kinézni: H O-C H 2 -C H 3 oo low field high field

15 J. T. Arnold, S. S. Dharmatti, M. E. Packard, J. Chem. Phys. 1951, 19, 507 Az etanol spektruma (kisérleti eredmény) BME, 1995

16 A kémiai eltolódás skála ( , ppm) Lehetne frekvencia skálát is alkalmazni. Nehézkes, mivel B loc isokkal kisebb, mint B o, a számláló viszonylag kicsil (néhány száz Hz), míg a nevező nagy (száz MHz). Egy relatiív skálát használunk, minden jelet egy belső standard vegyület bizonyos jeléhez vonatkoztatva,. A skála előnye, hogy minden műszeren mért eredmény összehasonlítható. Általános belső standard a tetrametilszilán (TMS), mivel oldható a legtöbb oldószerben, semleges, könnyen eltávolítható és 12 ekvivalens 1 H és 4 ekvivalens 13 C atomot tartalmaz H 3 C Si CH 3 CH 3 CH 3  -  ref  = ppm (parts per million)  ref

17 Kémiai eltolódás skálák 1 H, ~ 15 ppm: 13 C, ~ 220 ppm: 0 TMS ppm Alifás H Alkoholok, ketonok  protonjai Olefinek Aromás H Amidok Sav OH Aldehidek ppm Alifás CH 3, CH 2, CH Heteroatomhoz kapcsolódó C Olefinek Aromás C, konjugált alkének C=O savak, aldehidek, észterek 0 TMS C=O ketonok

18 Csatolási állandók Egy mag spinállapotait befolyásolhatja a szomszédos spinek energiaállapota, mely kölcsönös. Ez a jelenség a csatolás. A csatolás legtipikusabb esete a molekula elektronfelhőjének közvetítésével jön létre – a kötésen keresztül. Energiaszintek: Mindegyik spin nivóján további felhasadás észlelhető A felhasadás nagysága a csatolási állandó, (J) melyet Hz.- ben mérünk. Nem függ a mágneses térerőtől! A csatolási kép és a csatolási állandó a kémiai szerkezet meghatározásának alapvető eszköze. 13 C 1 H 1 H 1 H Egy kötés Három kötés ISIS ISIS ISIS ISIS I S S S I I J (Hz)

19 Fourier transzformáció Ma szinte minden NMR spektrométer ezen az elven működik. Egy hangszer „sajátfrekvenciájának” meghatározása. a) rezonanciapartner frekvenciájának lépetése (CW) b) szélessávú gerjesztés és a jel időfüggésének vizsgálata RF pulzus : az összes lehetséges frekvenciát tartalmazza Az NMR detektor jele: intenzitás-idő függvény. Mi intenzitás- frekvencia függvényt tudunk értékelni, számunkra ez hordozza a hasznos információt. Az időfüggvényből a kívánt frekvencia- függvényt a Fourier transzformáció segítségével nyerjük. Frekvenciafüggvényből időfüggvényt inverz Fourier transz- formáció segítségével kaphatunk. Pulzustechnika + Fourier transzformáció az NMR mérés- technika forradalmi megújítása – Ernst, 1965 S (  ) = ∫ S (t) e -i  t dt S (t) = (1/2  ∫ S (  ) e i  t d  --  -- 

20 Szabad indukció lecsengés (FID) Szabad indukció lecsengés (FID) A hasznos NMR jel az síkban elhelyezett vevőtekercsben megjelenő, a precesszáló mágnesezettség által indukált áram. Az eredő mágnesezettség relaxáció által visszatér az egyensúlyi állapotba. A vevőtekercs egy csillapított koszinuszfüggvényt detektál. (amennyiben egyetlen rezonan- ciafrekvencia van - a spektrum egy jelből áll)  = o = o M xy  -  o > 0 M xy idő

21 A valóságban akár több száz különböző spin is alkothatja mintánkat, így a válaszfüggvény is bonyolult, mi ezeknek a kombinációját észleljük a detektorban. Ez a szabad indukció csökkenés vagy Free Induction Decay (FID): Ennek Fourier transzformáltja a spektrum

22 Adatfeldolgozás, szorzófüggvények Adatfeldolgozás, szorzófüggvények A jel digitalizált formában a számítógépben tárolható.. A FID információtartalma az adatgyüjtés folyamán csökken. Ahogy M xy mágnesezettség csökken, egyre több és több zajt detektálunk. A zaj nagyfrekvenciájú, véletlenszerű jelenség. Az FID FT előtti alkalmas függvényekkel való szorzásával a spektrum zajos alapvonala „simítható” Jel + zaj…zaj 1

23 Legalkalmasabb egy exponenciális szorzófüggvény, melynek matematikai alakja: Eredmény: a frekvenciafüggő adatfüggvény konvoluciója az időben csökkenő exponenciális függvény Fourier-transzfor- máltjával. A szorzófüggvény Fourier-transzformáltja egy un. Lorentz függvény. Az LB paraméter értékének (előjelének) változtatásával a jel-zaj viszony, illetve a felbontás változtatható az adott célnak megfelelően. LB F(t) = 1 * e - ( LB * t ) - vagy - F(t) = 1 * e - ( t /  )

24 A jel/zaj viszony (vagy felbontás) módosítása Az exponenciális szorzófüggvény kitevőjétől függően jel/zaj viszony vagy felbontás javítás érhető el ( a másik paraméter némi romlása árán) FT LB = -1.0 HzLB = 5.0 Hz

25 Spektrumakkumuláció Zaj : sztohasztikus (véletlenszerű) jelenség jel/zaj viszony javítása: akkumuláció ( a kisérlet megismétlése, az eredmények összeadása, ma már számítógéppel) N akkumuláció N 1/2 szeres javulást eredményez

26 Pulzusszekvenciák Pulzusszekvenciák Az NMR kisérletek épitőelemei. Egy kisérlet a szekvencia többszöri (sokszori) ismétléséből épül fel. A legegyszerübb 1-pulzusos kisérlet Vektorábrán Sematikusan jelölve A pulzusnak „iránya” is van, használhatunk 90 x or 90 y pulzusokat. A gyakorlatban az több adó-, illetve vevő- tekercset helyeznek el 90 o -onkét, ezeket felváltva használják (kereszttekercses elrendezés) 90 y n z x y z x M xy y MoMo 90 y adatgyűjtés pulzus

27 Inverzió visszaállás Spin-rács relaxációs idő (T 1 ) Értéke a molelulán belüli lokális mozgékonyságra jellemző. Közvetlenül a FID-ből, illetve a spektrumból nem határozható meg. A következő pulzusszekvenciával határozható meg : I A  pulzus után Megkezdődik az egyensúly visszállása, a (T 1 ) relaxágiós idő által meghatározott sebességgel. Különböző t D várakozási idő után egy újabb 90 o -os pulzussal tudjuk „kiolvasni” a mágnese- zettség aktuális értékét 180 y (or x) 90 y tDtD z x y z x y 180 y (or x) tDtD

28 Inverzió visszaállás z x y t D = 0 z x y t D > 0 z x y t D >> 0 z x y z x y z x y 90 y FT

29 Ennek linearizálásával T 1 kiszámítható. Inverzió visszaállás Az intenzitás-idő (t d ), összefüggés 40 o C time Intensity ( ) I(t) = I  * ( * e - t / T 1 )

30

31

32 Felix Bloch Edward Purcell

33 Jean Baptiste Joseph Fourier Richard Ernst Bay Zoltán

34 Néhány fontos NMR- aktív mag NévSpinTermészetes el ő fordulás (%) Relatív érzékenység Larmor frekvencia 11.7 T térer ő esetén (MHz) 1H1H1/ C1/ * H2H * P1/ * Na3/ * F1/ * B * B3/ * N * N1/ * ,69 17 O5/ * Si1/ * Pt1/ * ,51

35

36 térdkalács gerincoszlop koponya metszet

37

38 Peter Mansfield Paul Lauterbur

39 HO-CH 2 -CH 2 D (I) HO-CHD-CH 3 (II) DO-CH 2 -CH 3 (III) R = 3 * II / I C = (I + II) / (S *  )

40

41 Nátrium koncentráció viszonyok változása sejtekben és környezetükben PPP DOTP TTHA

42

43


Letölteni ppt "Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N uclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ?"

Hasonló előadás


Google Hirdetések