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 magspin Isidor Rabi mágneses magrezonancia mérése molekulasugarakban - Nobel-díj 1944 az atommagok mágneses tulajdonságainak rezonancia útján történő méréséért 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 FT-NMR Ernst és Anderson - a pulzus módszerrel és a CW-vel kapott színkép azonosságának bizonyítása R.R.Ernst 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 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, 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, old. J.W.Akitt, NMR and Chemistry, 2nd Ed., Chapman and Hall, London, A.E.Derome, Modern NMR Techniques for Chemitry Research, Pergamon Press, S.W.Young, Nuclear Magnetic Resonance Imaging: Basic Principles, Raven, NY, 1984.

42 Irodalom Honlapok: Jml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1 Jml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1 hamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html hamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html dept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm dept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm


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

Hasonló előadás


Google Hirdetések