Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai

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

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

2 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
NMR 1. Mágneses Nuclear 2. Magrezonancia Magnetic 3. Spektroszkópia Resonance 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

3 Spektroszkópia (Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín)
Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása Frauenhofer (1814.) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

4 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Adszorpció Emisszió 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

5 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. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

6 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 1H jele) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

7 Magspin tulajdonságai
Atommag: proton és neutron Tulajdonság: spin  mágneses momentum Ellentétes spinek  eredő nullává válik! Páros proton- és neutronszámú magok nem mérhetőek! (Izotóp számít!) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

8 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Mérhető atommagok 1H, 2H, 3H, 3He, 4He, 12C, 13C, 14C, 14N, 15N 16O, 17O, 19F, 23Na, 31P, stb. Érzékenység függ: - Mágneses momentum nagysága - Izotóp gyakorisága 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

9 Kvantált energiafelhasadás létrehozása
A mágneses térben felhasadnak az energianívók. A rezonancia frekvenciája a térerősség függvénye. |b> E DE=konstans*B0 DE=għB0 B0 g – giromágneses hányados [radian/sT] |a> 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

10 Elektromágneses frekvenciatartomány
Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Energia (eV) gamma röntgen UV infravörös mikrohullám 100 MHz 800 MHz rádiófrekvencia (rf) látható NMR spektroszkópia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

11 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Energiaviszonyok -Elektronspektroszkópia (UV és látható) ~ nm 700 nm 4,3*1014 Hz -Infravörös spektroszkópia ~ cm cm-1 9,0*1013 Hz -Mikrohullámú spektroszkópia ~30 cm-1 alatt 30 cm-1 9,9*1011 Hz -NMR spektroszkópia ~MHz 500 MHz 5,0*108 Hz 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

12 Az energiakülönbségek következménye
mágneses tér jelenlétében E2 E E1 UV IR Micro NMR 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

13 Az atommag viselkedése a mágneses térben
Egyszerű kép: iránytű (mágneses dipól) mágneses térben való beállása (stabil/metastabil állapot) Leírja, hogy eredő z-irányú mágnesezettség keletkezik (mag paramágneses momentum)  H0 kikapcsolásával megszűnik: Spin-rács vagy longitudinális relaxáció – T1 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

14 Larmor precesszió Spin (impulzusmomentum) és a mágneses tér (forgatónyomaték) miatt pörgettyű-szerű mozgás. z w0 B0 m y x 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

15 Rezonancia (Bloch-egyenlet)
Ha – az elektromágneses sugárzás frekvenciája egyenlő a Larmor precesszió frekvenciájával, és – a forgó mágneses vektor merőleges a külső mágneses térre, akkor 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

16 Rezonancia (Bloch-egyenlet)
A H0-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, T2) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

17 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! 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

18 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
CW – FT CW: A mágneses tér vagy a besugárzó frekvencia folytonos változtatásával FT: Rf impulzus – spin echo (visszhang) detektálása, majd az időfüggvény Fourier sorbafejtése 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

19 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
f(t) FT F(w) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

20 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 (N½) – külső zajok csökkentése: mechanikai (rezgés) elektromos és mágneses zavarok kiküszöbölése – minta ne legyen paramágneses (ionok, oxigén!) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

21 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Fizika  Kémia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

22 Spektrumot meghatározó tényezők
Adott mag rezonancia frekvenciája kis-mértékben függ az elektronszerkezettől (árnyékolás), azaz a kémiai környezettől: kémiai eltolódás. ( 10-6) Adott mag jele felhasad a szomszédos mágneses magoktól: csatolás. ( 10-8) Rezonanciafolyamat időbeli lefolyásától: relaxáció. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

23 Több Rf pulzus alkalmazása
Az első Rf pulzust köve-tően változó t1 időpont-ban újabb pulzus (vagy pulzusok) következnek. Minden egyes t1 idő-intervallumnál egy-egy spektrumot regisztrálunk. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

24 2D Fourier transzformáció
Második időváltozó szerint is peridókus függvényt kapunk. E szerint is FT. Két frekvencia di-menzió  konnek-tivitás meghatároz-hatóvá válik. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

25 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Codein spektruma Az egyes 1H magok jelei egyszerűen hozzárendel-hetők: H-5  H-3  H-10  OH H-10  H-9 H-3  H-16 H-16  H-11 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

26 Makromolekulák spektruma: átfedő jelek
2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

27 Több dimenziós spektrum: szétválnak a jelek
Humán UBIQUITIN 1H spektruma és térszerkezete 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

28 Nagyfeloldású NMR Spektroszkópia feltétele
MHz mellett 0,3 Hz látható! Stabilitás, homogenitás: 3 * 10-10 Megfelel annak, ha a Földről a Holdon a felszínt 1 cm-es pontossággal szeretnénk mérni! [Föld – Hold távol-ság km = 4 * 1010 cm.] Mi történik, ha elrontjuk a homogenitást? A gradiensnek megfelelően széles jelek. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

29 Mágneses rezonancia leképezés Magnetic Resonance Imaging MRI
Az atommag NMR frekvenciája térerősségfüggő: Adott jel frekvenciája  Adott magnál a térerősség Gardiens  helykoordináta 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

30 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
MRI elve 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

31 Röntgensugárzás abszorpciója
Rendszám négyzetgyökével ará-nyos az elnyelés: – szövetek (H, C, N, O) + csont (Ca), aranygyűrű 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

32 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
MRI képek 1H térbeli eloszlása – víz – szerves molekulák Elvileg bármely NMR aktív mag mérhető. Gyakorlatban még: 3He, 19F, 31P 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

33 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Röntgen - MRI Röntgenfelvételen Ca (csont) eloszlás látszik MRI felvételen a lágy szövetek 3D struktúrája és állaga jól megfigyelhető 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

34 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. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

35 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
További lehetőségek Relaxációk kihasználása Paramágneses „kontrasztanyagok” – Gd2+ Gyors felvételi technikák: mozgó kép Funkcionális MRI (kémiai eltolódás) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

36 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Előny - hátrány Előny: Kis energiájú Rf sugárzás (max 200 MHz) Lágy szöveti leképezés Hátrány: Mágneses tér (pace-maker, implantátum) Klausztrofóbia Drága (árnyékolás, He) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

37 Spektrométerek Állandó - elektromágnes
Az első kereskedelmi NMR készülék H = 1,41 T, ν = 60 MHz Vízhűtéses mágnes H = 2,1 T ν = 100 MHz 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

38 Szupravezető mágnesek
2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

39 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
Mágnes szerkezete 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

40 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
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 13C, 15N, stb. magok mérhetősége – többpulzus kísérletek: többdimenziós spektroszkópia  bio- lógiai makromolekulák szerkezetmeghatározása – gradiens spektroszkópia, MRI, MR-mikroszkópia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

41 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
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" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

42 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
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" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

43 Nobel díjak (Fiziológia)
Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (2003.) "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

44 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét
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. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

45 Önöknek meg köszönöm szíves figyelmüket.
Köszönöm fizika tanáraimnak azt, hogy megtanítottak arra a szemléletmódra, ami szükséges egy más tudományág területén a fizika alkalmazására. Önöknek meg köszönöm szíves figyelmüket. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét