Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György."— Előadás másolata:

1 Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György

2 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét2 NMR 1.MágnesesNuclear 2.MagrezonanciaMagnetic 3.SpektroszkópiaResonance

3 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét3 Spektroszkópia (Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín) Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása Frauenhofer (1814.)

4 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét4 AdszorpcióEmisszió

5 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét5 Mágneses magrezonancia Történet 1. Pauli (1924.): Atommagoknak impulzus- és így mágneses momentumuk van. Stern, Gerlach (1933.) Magspin hatása molekulasugárra (eltérítési kísérlet). Gorter (1936.) Sikertelen kísérlet atom- magok mágneses térben való rezo- nanciájának detektálására.

6 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét6 Mágneses magrezonancia Történet 2. Zavoisky (1941.) Elektronspinrezonancia után sikertelen magrezonancia kísérlet Rabi (1939.): Kísérleti igazolás: ionsugár mágneses térben egy oszcilláló mág- neses segédtérrel - rezonancia. Bloch, Purcell (1945.): Első igazi spek- troszkópiai mérés (víz, paraffin 1 H jele)

7 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét7 Magspin tulajdonságai Atommag: proton és neutron Tulajdonság: spin  mágneses momentum Ellentétes spinek  eredő nullává válik! Páros proton- és neutronszámú magok nem mérhetőek! (Izotóp számít!)

8 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét8 Mérhető atommagok 1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He, 12 C, 13 C, 14 C, 14 N, 15 N 16 O, 17 O, 19 F, 23 Na, 31 P, stb. Érzékenység függ: - Mágneses momentum nagysága - Izotóp gyakorisága

9 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét9 Kvantált energiafelhasadás létrehozása A mágneses térben felhasadnak az energianívók. A rezonancia frekvenciája a térerősség függvénye. E B0B0 |>|> |>|>  E=konstans*B 0  E=  ħB 0  – giromágneses hányados [radian/sT]

10 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét10 Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Energia (eV) gamma röntgen UV infravörös mikrohullám 100 MHz 800 MHz rádiófrekvencia (rf) látható NMR spektroszkópia Elektromágneses frekvenciatartomány

11 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét11 Energiaviszonyok -Elektronspektroszkópia (UV és látható) ~ nm700 nm4,3*10 14 Hz -Infravörös spektroszkópia ~ cm cm -1 9,0*10 13 Hz -Mikrohullámú spektroszkópia ~30 cm-1 alatt 30 cm -1 9,9*10 11 Hz -NMR spektroszkópia ~MHz500 MHz 5,0*10 8 Hz

12 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét12 Az energiakülönbségek következménye E E1E1 E2E2 UV IRMicroNMR mágneses tér jelenlétében

13 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét13 Az atommag viselkedése a mágneses térben Egyszerű kép: iránytű (mágneses dipól) mágneses térben való beállása (stabil/metastabil állapot) iránytű (mágneses dipól) mágneses térben való beállása (stabil/metastabil állapot) Leírja, hogy eredő z-irányú mágnesezettség keletkezik (mag paramágneses momentum)  H 0 kikapcsolásával megszűnik: Spin-rács vagy longitudinális relaxáció – T 1

14 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét14 Larmor precesszió Spin (impulzusmomentum) és a mágneses tér (forgatónyomaték) miatt pörgettyű-szerű mozgás. x y z   B0B0

15 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét15 Rezonancia (Bloch-egyenlet) Ha –az elektromágneses sugárzás frekvenciája egyenlő a Larmor precesszió frekvenciájával, és –a forgó mágneses vektor merőleges a külső mágneses térre, akkor

16 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét16 Rezonancia (Bloch-egyenlet) A H 0 -ra merőleges síkban for- gó mágeses vektor a forgó koordinátarendszerben stati- kus: e körül is – egy kisebb frekvenciájú - Larmor precesz- szió jön létre  rezonancia Sok mag esetén fáziskoheren- cia alakul ki: XY síkban mág- nesezettség jelenik meg:  detektálás  relaxáció (transzverzális, spin-spin, T 2 )

17 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét17 Spin mozgása a mágneses térben [Álló koordinátarendszerben] –a mozgás „makroszkópikus” –a mozgás leírása egyszerűbb Larmor frekvenciával forgó koordinátarendszerben –az x-y síkú besugárzás időtar- tamától függően a mágneses vektor 90° - 180° - 270° - 360° stb. szögben fordítható –a relaxációs idők másod- perces nagyságrendűek!

18 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét18 CW – FT CW: A mágneses tér vagy a besugárzó frekvencia folytonos változtatásával FT: Rf impulzus – spin echo (visszhang) detektálása, majd az időfüggvény Fourier sorbafejtése

19 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét19 f(t) F(  ) FT

20 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét20 Spektrum Kémiai szerkezetkutatás A jó spektrum feltétele: – erős, homogén, időben állandó mágneses tér: kis jelszélesség, nagy jelmagasság – nagy jel/zaj viszony: jó elektronika, több mérés akkumulációja (N ½ ) – külső zajok csökkentése: mechanikai (rezgés) elektromos és mágneses zavarok kiküszöbölése –minta ne legyen paramágneses (ionok, oxigén!)

21 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét21 Fizika  Kémia

22 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét22 Spektrumot meghatározó tényezők Adott mag rezonancia frekvenciája kis- mértékben függ az elektronszerkezettől (árnyékolás), azaz a kémiai környezettől: kémiai eltolódás. (  ) Adott mag jele felhasad a szomszédos mágneses magoktól: csatolás. (  ) Rezonanciafolyamat időbeli lefolyásától: relaxáció.

23 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét23 Több Rf pulzus alkalmazása Az első Rf pulzust köve- tően változó t 1 időpont- ban újabb pulzus (vagy pulzusok) következnek. Minden egyes t 1 idő- intervallumnál egy-egy spektrumot regisztrálunk.

24 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét24 2D Fourier transzformáció Második időváltozó szerint is peridókus függvényt kapunk. E szerint is FT. Két frekvencia di- menzió  konnek- tivitás meghatároz- hatóvá válik.

25 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét25 Codein spektruma Az egyes 1 H magok jelei egyszerűen hozzárendel- hetők: H-5  H-3  H-10  OH H-10  H-9 H-3  H-16 H-16  H-11

26 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét26 Makromolekulák spektruma: átfedő jelek

27 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét27 Több dimenziós spektrum: szétválnak a jelek Humán UBIQUITIN 1 H spektruma és térszerkezete

28 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét28 Nagyfeloldású NMR Spektroszkópia feltétele MHz mellett 0,3 Hz látható! Stabilitás, homogenitás: 3 * Megfelel annak, ha a Földről a Holdon a felszínt 1 cm- es pontossággal szeretnénk mérni! [Föld – Hold távol- ság km = 4 * cm.] Mi történik, ha elrontjuk a homogenitást? A gradiensnek megfelelően széles jelek.

29 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét29 Mágneses rezonancia leképezés Magnetic Resonance Imaging MRI Az atommag NMR frekvenciája térerősségfüggő: Adott jel frekvenciája  Adott magnál a térerősség Adott magnál a térerősség Gardiens  helykoordináta Gardiens  helykoordináta

30 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét30 MRI elve

31 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét31 Röntgensugárzás abszorpciója Rendszám négyzetgyökével ará- nyos az elnyelés: –szövetek (H, C, N, O) –szövetek (H, C, N, O) +csont (Ca), aranygyűrű +csont (Ca), aranygyűrű

32 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét32 MRI képek 1 H térbeli eloszlása –víz –szerves molekulák Elvileg bármely NMR aktív mag mérhető. Gyakorlatban még: 3 He, 19 F, 31 P

33 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét33 Röntgen - MRI Röntgenfelvételen Ca (csont) eloszlás látszik MRI felvételen a lágy szövetek 3D struktúrája és állaga jól megfigyelhető

34 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét34 T1 relaxációval szűrt kép A besugárzás és a de- tektálás között eltelt idő alatt: – a kötött víz gyorsab- ban elveszti mágnese- zettségét, – a szabad, sejt közötti víz relatív intenzívebb jelet adnak.

35 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét35 További lehetőségek Relaxációk kihasználása Paramágneses „kontrasztanyagok” – Gd 2+ Gyors felvételi technikák: mozgó kép Funkcionális MRI (kémiai eltolódás)

36 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét36 Előny - hátrány Előny: Kis energiájú Rf sugárzás (max 200 MHz) Lágy szöveti leképezés Hátrány: Mágneses tér (pace-maker, implantátum) Klausztrofóbia Drága (árnyékolás, He)

37 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét37 Spektrométerek Állandó - elektromágnes Az első kereskedelmi NMR készülék H = 1,41 T, ν = 60 MHz Vízhűtéses mágnes H = 2,1 T ν = 100 MHz

38 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét38 Szupravezető mágnesek

39 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét39 Mágnes szerkezete

40 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét40 Mérföldkövek –atommag mágneses momentuma  fizika –molekulaszerkezettől függő rezonancia frekvencia (térrel arányos) és felhasadás (tértől független) csatolási topológia  kémia szerkezetkutatás –100 MHz (2,35 T) felett szupravezető mágnes (22 T) és Rf pulzus – spin echo – FT méréstechnika: természetes előfor- dulású 13 C, 15 N, stb. magok mérhetősége –többpulzus kísérletek: többdimenziós spektroszkópia  bio- lógiai makromolekulák szerkezetmeghatározása –gradiens spektroszkópia, MRI, MR-mikroszkópia

41 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét41 Nobel díjak (Fizika) Otto Stern (1943.) "for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton" Isidor Isaac Rabi (1944.) "for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei" Felix Bloch, Edward Mills Purcell (1952.) "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith"

42 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét42 Nobel díjak (Kémia) Richard R. Ernst (1991.) "for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy" Kurt Wütrich (2002.) "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution"

43 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét43 Nobel díjak (Fiziológia) Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (2003.) "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

44 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét44 Ennyit röviden egy 50 éves múltú „mesterségesen” létrehozott atommagi energia-felhasadáson alapuló inter- diszciplináris spektroszkópiai ágról, mely nemcsak a fizikát, de a kémiai szerkezetkutatást és az orvosi diagnosztikát is forradalmasította.

45 2007. III Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét45 Köszönöm fizika tanáraimnak azt, hogy megtanítottak arra a szemléletmódra, ami szükséges egy más tudományág területén a fizika alkalmazására. Önöknek meg köszönöm szíves figyelmüket.


Letölteni ppt "Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György."

Hasonló előadás


Google Hirdetések