Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az FT-NMR alapvető alkalmazásai Molekulaspektroszkópia - Kémia BSc Dr. Berkesi Ottó.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Az FT-NMR alapvető alkalmazásai Molekulaspektroszkópia - Kémia BSc Dr. Berkesi Ottó."— Előadás másolata:

1 Az FT-NMR alapvető alkalmazásai Molekulaspektroszkópia - Kémia BSc Dr. Berkesi Ottó

2 Történelmi áttekintés A magspin hatása az atomi színképekre - a felbontás növelésével bizonyos atomok sávjai felhasadtak - Pauli 1924 - magspin 1938 - Isidor Rabi mágneses magrezonancia mérése molekulasugarakban - Nobel-díj 1944 az atommagok mágneses tulajdonságainak rezonancia útján történő méréséért 1945 - Bloch, Hansen és Packard - Stanford Purcell, Torrey és Pound - Harvard F.Bloch és E.M.Purcell - Nobel-díj 1952 a magok mágneses momentumának nagy pontosságú méréséért

3 Történelmi áttekintés A metódus kettéválik - CW (rf/B shift) - High Resolution Chemical NMR - impulzus módszer - szilárdtestfizika, relaxációs jelenségek vizsgálata 1966 - FT-NMR Ernst és Anderson - a pulzus módszerrel és a CW-vel kapott színkép azonosságának bizonyítása R.R.Ernst - 1991 Nobel-díj a multidimenziós NMR kidolgozásáért Azóta rohamosan fejlődik, és a kémiai szerkezetkuta-tás és az orvosi diagnosztika egyik leghatékonyabb eszközévé vált! P.Lauterbur és P.Mansfield - 2003 Nobel-díj az MRI felfedezéséért

4 x y z Ismétlés - alapkurzusból Precesszió - Larmor frek- vencia Mágneses momentum és a mágneses tér kölcsönhatá- sa Eredő mágnesezettség ki- alakulása - I=1/2 mag A laboratóriumi és a forgó koordinátarendszer

5 Ismétlés - alapkurzusból Az átmenet leírása a forgó koordinátarendszerben A B 1 segédtér, a síkban polarizált fény egyik cirkulárisan polarizált komponense A két új precessiós kúp közötti betöltöttség különbség megbontja a főkúpokon az eloszlást és a betöltöttséget x y z N  -N 

6 A két legfontosabb impulzus x y z  /2 x x y z xx

7 Relaxációs folyamatok Egy π/2-impulzus után a kialakult M xy komponens megszűnik, míg a megszűnt M z komponens visz- szaépül. Az M z visszaállása során a rendszer energiát ad át a környezetének – spin rács/longitudinális relaxá- ció, ami entalpia vezérelt folyamat Az M xy eltűnése folyamán nincs energiaátadás, de a rendezettebb állapotból a rendezetlenebbe megy át a rendszer – spin-spin/transzverzális relaxáció, entalpia vezérelt folyamat

8 Relaxációs folyamatok Relaxáció egyπ/2 impulzus után 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 0,02,04,06,08,010,012,014,016,0 t/s M z 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 M xy Mz Mxy

9 Free Induction Decay

10 A Fourier-transzformált 0,1Hz -0,1Hz 0,1Hz -0,1Hz 0,1Hz -0,1Hz Quadrature detection

11 0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 0,04,08,012,0 t/s T2T2 T* 2 M xy Az inhomogenitás hatása x y z M xy – max. M xy (t) – e -t/T2 B=B o B=B o +δB B=B o -δB M xy (t) – e -t/T*2 és T 2 >T * 2

12 T 2 mérése A feladat a mágneses tér inhomogenitásából eredő koherenciavesztés kiküszöbölése! A megoldás arra a feltételezésre alapszik, hogy az egyes spinek az egész mérés alatt ugyanabban a térrészben tartózkodnak, azaz az inhomogenitások végig ugyanarra a spinpopulációra hatnak! A π-impulzus segít! Vizsgáljuk meg, hogy a π x -impulzus hogyan hat két eltérő frekvenciával precesszáló mágnesezett- ségi vektor komponenseire!

13 T 2 mérése – a π x -impulzus x y z M 1 – v 1 M 2 – v 2 v 2 > v 1 πxπx

14 T 2 mérése – a Carr-Purcell szekvencia πxπx π /2 x τ τ x y z x y z x y z x y z x y z 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,000,050,100,150,200,250,30 2τ/min Intenzitás FFT változó τ-val ismételve vLvL t2t2

15 T 1 mérése A longitudinális mágnesezettség (M z ) változásá- nak mérése B o nagysága miatt nem lehetséges. A feladat az M z -vel arányos mégnesezettségi komponens létrehozása az xy-síkban. A kísérlet a spinpopuláció invertálásával indul, és a különbség zérusra csökkenésének sebességét méri.

16 T 1 mérése πxπx π /2 x y z τ FFT vLvL 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,000,050,100,150,200,250,30 τ/min Intenzitás változó τ-val ismételve x y z x y z x y z t2t2

17 A szekvenciák akalmazásai A pulzus szekvenciák alkalmassá tették a FT- NMR spektroszkópiát olyan mérések elvégzésére, amelyek a hagyományos CW berendezésekkel nem lehetett végrehajtani. Néhány fogalommal meg kell ismerkednünk: Nuclear Overhauser Effect Polarisation Transfer Lecsatolás - Decoupling

18 Nuclear Overhauser Effect A NOE a mágneses momentumok közötti dipól- dipól kölcsönhatáson alapszik, más csatolás meg- léte nem szükséges. Ez a kölcsönhatás gyorsan csökken a távolsággal (r -6 ), így a molekulán belül közel elhelyezkedő mágneses momentumokról szolgáltat információt. A NOE egy NMR rezonancia intenzitásának válto- zását eredményezi akkor, ha egy másik rezonancia átmenetét megzavarjuk, legtöbbször a megzavarás módja az átmenet telítése.

19 βα α αβαβ β S S I I A X Nuclear Overhauser Effect Telítés S-en! βα α αβαβ β S S I I A X Az I szerinti relaxáció hajtóereje nem változik: δ ha W 2 a domináns, akkor nő N + 2δ N + δ N N+1/2 δ N+ 3/2 δ N+1/2 δ ha W o a domináns, akkor I jele csökken, WoWo N + δ 1/2δ A különbség mindenütt δ Ha a rendszer a nem sugárzásos átmeneteken keresztül relaxá- lódik, akkor igen! W2W2 N N + 2δ 3/2δ

20 Nuclear Overhauser Effect A NOE lehetséges maximális értéke η NOE = γ S /2γ I A mérhető maximális erősítés: 1 + η NOE Az egymáshoz térben közel lévő, de csatolás- ban nem lévő magok felderíthetők! A kis érzékenységű magok, pl. 13 C és 31 P mérését is lehetővé teszi!

21 Polarisation Transfer Első ránézésre nagyon hasonló a helyzet, mint a NOE-nál, de itt a két mag csatolásban van egy-mással, pl. a 13 C és a rajta lévő 1 H-ek magjai. Ugyanakkor az egyik csatornán nem folyamatos besugár- zás, telítés van, hanem egy szelektív, csak az egyik átme- netet érintő π-impulzus, amelyik létrehozza az inverz po- pulációt, azaz a természetes megoszlásnak megfelelő több- let, a magasabb energiájú szinten van. Ez megváltoztatja a másik mag benépesítettségi különb- ségét is, amely megváltoztatja a mért intenzitásokat!

22 Polarisation Transfer 1 H- 13 C βα α αβαβ β C1C1 C2C2 H1H1 H2H2 Boltzmann-eloszlás: ΔN H = 4ΔN C N+ΔN H -ΔN C N-ΔN H +ΔN C N+ΔN H +ΔN C N-ΔN H -ΔN C 1H1H 13 C βα α αβαβ β C1C1 C2C2 H1H1 H2H2 N-ΔN H +ΔN C N+ΔN H +ΔN C N-ΔNH-ΔNCN-ΔNH-ΔNC N+ΔNH-ΔNCN+ΔNH-ΔNC π-imp. az H 1 -n! 6ΔNC6ΔNC -10ΔN C 13 C 1H1H

23 Decoupling - Lecsatolás Csatolt magok között a csatolás megszüntetését je-lentette az egyik mag frekvenciáján történő folya-matos besugárzással korábban, a CW-, és a korai FT-NMR idején. Célja a multiplettek egyszerűsítése, és ezzel a jel-intenzitás növelése. Ma a „broadband decoupling – szélessávú lecsatolás” az alkalmazott eljárás, amely során a lecsatolandó mag csator- náján, a mérendő mag FID-jének regisztrálása közben, is- métlődő pulzussorozatok segítségével érik el, hogy az ne tartalmazzon információt a másik maggal való csatolásról.

24 1D-NMR szekvenciák Vannak olyan szekvenciák, amelyek eredménye- ként csak egyetlen frekvenciatengellyel rendelke- ző színképet kapunk. Ilyen pl. azok az eljárások, amelyek pl. a 13 C- NMR-színképekben található sávok hozzárendelé- sét segítik. A probléma, hogy ezeket NOE és szélessávú le- csatolás mellett veszik fel, ezért a kémiai eltolódá- son kívül más egyértelműen felhasználható infor- mációt nem tartalmaz, viszont a rendűség szerinti tartományok erősen átfednek!

25 A DEPT szekvencia Distortionless Enchanced by Polarisation Transfer A kísérlet célja, hogy segítse meghatározni a 13 C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. A kísérletet kétszer kell elvégezni. Először Θ = 90°, majd Θ = 135° beállításával. τ = (2J) -1 körüli a legjobb érték. Θ = 90° mellett csak a metin (CH) szenek adnak jelet, míg a Θ = 135° beállításával a metilén (CH 2 ) szenek jele negatív és a metileké (CH 3 ), és a metineké (CH) pozitív. A kvaternerek nem látszanak, csak a hagyományos 13 C-NMR-ből azonosíthatók. π /2 x πxπx ΘxΘx τ ττ 1H1H πxπx 13 C FID

26 Az APT szekvencia Attached Proton Test A kísérlet segítségével meg lehet határozni a 13 C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. A τ = (J) -1 körüli érték esetén a metilén (CH 2 ), és a kvaterner (C) szenek negatív jelet adnak, míg a metileké (CH 3 ), és a metineké (CH) pozitív. Nincs szükség több színkép felvételére és a hagyományos 13 C-NMR színképre sem! π /2 x πxπx τ τ 1H1H 13 C változhat FID

27 2D-NMR szekvenciák A 2D-NMR kísérleteket három fő csoportba sorolják: Chemical Shift Correlation Spectroscopies – az egymással kölcsönhatásban lévő magok közti kapcsolatok felderítésére szolgálnak. J-Spectroscopies – az 1D-NMR spektrumok x- tengelyén ábrázolt kémiai eltolódás és csatolási állandók szétválaszására szolgálnak. Multiple Quantum Experiments – pl. a J előjelének meghatározására szolgáló eljárás is ide tartozik.

28 Pulzussorozatok általában πxπx π /2 τ Preparation Előkészítés A kiindulási állapot beállítása, tartalmaz- hat pulzusokat és fo- lyamatos besugárzást is. Fix hosszúságú. A vizsgálandó folyamat érvényesülése, kifejlődése. Tartalmazhat pulzusokat, folyamatos besugárzásokat. Hossza változhat, amiből a t 1 –tengely származik a 2D- NMR-alkalmazásokban. Evolution Kifejlesztés Mixing/Keverés Detection Detektálás A vizsgálni kívánt mágnesezettségi komponennek az xy-síkba történő beforgatására szolgáló impul-zusok. Fix hosszúságú, de hiányozhat is! A FID mérése t2t2

29 Chemical Shift COrrelation SpectroscopY Homonukleáris spinkorrelációs spektroszkópia – a magok közti J-csatolások kimutatására π /2 x t1t1 x y z x y z x y z x y z t2t2 vLvL -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 02468101214 t 1 /s Intenzitás FFT vLvL

30 x y z Homonukleáris-COSY Két spin, csatolás nélkül. v a =0,1 Hz, v a =0,25Hz, T 1 =12s, T 2 =8s π /2 x t1t1 t2t2 FFT π /2 x x y z x y z x y z x y z x y z x y z x y z v a v b

31 0,00 0,50 1,00 1,50 0,00 0,50 1,00 1,50 Homonukleáris-COSY Két spin, csatolás nélkül. 0,04,08,012,0 v 2 /s Intenzitás vava 0,04,08,012,0 vbvb FFT νaνa νbνb νaνa νbνb ν 1 /Hz ν 2 /Hz

32 Homonukleáris-COSY Két csatolt spin, csatolás v a =0,1 Hz, v a =0,25Hz, J=0,1Hz T 1 =12s, T 2 =8s x y z x y z x y z x y z v a v b x y z x y z x y z x y z J J π /2 x t1t1 t2t2 FFT π /2 x

33 0,04,08,012,0 Homonukleáris-COSY Két csatolt spin 0,00 0,50 1,00 1,50 v 2 / Hz FFT

34 A korrelációs felület Auto-peaks – átlós csúcsok Axial-peaks – tengely csúcsok νaνa νaνa νbνb νbνb JJ J J ν 1 /Hz ν 2 /Hz Cross-peaks – kereszt csúcsok Correlation square korrelációs négyzet

35 Heteronukleáris-COSY π /2 x t 1 /2 Δ1Δ1 1H1H πxπx 13 C t2t2 π /2 x t 1 /2 Δ2Δ2 ~1/(2J) ~1/(3J)

36 J - Spektroszkópiák Homonukleáris J-Spektroszkópia πxπx t2t2 t1t1 π /2 x t1t1 1H1H J/Hz δ/ppm A2X3A2X3 JJ δAδA δXδX

37 J - Spektroszkópiák Homonukleáris J-Spektroszkópia - átszeletelve J/Hz δ/ppm A2X3A2X3 JJ δAδA δXδX

38 NMR inhomogén térben B(x) ν L (x) ha B fgv.-e x-nek, akkor a ν L is a hely függvénye, azaz a mért intenzitást a hely függvényében lehet megadni! Intenzitás x Int. ~ c

39 NMR inhomogén térben - MRI B(x) ν L (x) Intenzitás Nagyszámú adatból képalkotó eljárások segítségével megal- kotható a test 3D-s képe

40 Magnetic Resonance Imaging

41 Irodalom Könyvek: P.W.Atkins, Fizikai Kémia II. Szerkezet, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp, 1998, 547.-557. old. J.W.Akitt, NMR and Chemistry, 2nd Ed., Chapman and Hall, London, 1983. A.E.Derome, Modern NMR Techniques for Chemitry Research, Pergamon Press, 1987. S.W.Young, Nuclear Magnetic Resonance Imaging: Basic Principles, Raven, NY, 1984.

42 Irodalom Honlapok: http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxt Jml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1 http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxt Jml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1 http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm http://www.chemie.uni- hamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html http://www.chemie.uni- hamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html http://www.files.chem.vt.edu/chem- dept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm http://www.files.chem.vt.edu/chem- dept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm http://www.spincore.com/nmrinfo/software_s.html http://www.effemm2.de/spekwin/index_en.html


Letölteni ppt "Az FT-NMR alapvető alkalmazásai Molekulaspektroszkópia - Kémia BSc Dr. Berkesi Ottó."

Hasonló előadás


Google Hirdetések