MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN 1) A jelenség 2) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 3) Magnetic Resonance Imaging (MRI) 4) Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS)

1952Fizika Módszer és elméleti alapok Felix Bloch Edward Mills Purcell 1991Kémia Nagy felbontású NMR spektroszkópia Fourier transzformáció, 2D technika Richard Ernst 2002Kémia Biológiai makromolekulák 3D szerkezete Kurt Wüthrich NMR és Nobel díj 2003Orvosi MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedezése Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield

Atommagok mágneses tulajdonságai Mag Proton Neutron Kvark fel Kvark le Kvark fel Kvark le Töltések:Kvark fel : +2/3 Kvark le : -1/3 Proton : +1 Neutron : 0 A protonok és neutronok a legalacsonyabb energiaszintű pályákat igyekeznek elfoglalni (ebben az elektronokkal megegyeznek), és az ellentétes spinűek igyekeznek párosítódni (ebben az elektronoktól eltérnek).

A protonok és neutronok, így ennek következtében az atommag is saját, belső impulzusmomentummal rendelkeznek, ez a spin, más néven perdület. Spinimpulzus-momentum nagysága= I: a mag spinkvantumszáma, függ a magban lévő protonok és neutronok számának típusától Mag Példa ProtonszámNeutronszámI páros 0 12 C, 16 O páratlan 1 14 N Az egyik páros, a másik páratlan.,5 1 H, 13 C, 19 F, 31 P 23 Na (1,5) 17 O (2,5) NMR inaktív magok NMR aktív magok

A spinimpulzus momentum vektormennyiség: iránya és nagysága is kvantált. Egy I spinű mag I impulzusmomentumának (vektor félkövér!) egy tetszőlegesen választott (pl. a z) tengelyre nézve 2 I +1 számú merőleges vetülete van. Azaz, I z komponense, I z kvantált: m: a mag mágneses kvantumszáma, melynek értéke lehet: -I, -I+1, …, I-1, I I=0,5  I=1  A mag mágneses momentuma,  – szintén vektormennyiség – arányos I-vel. A  arányossági tényezőt giromágneses (csavarómágneses) hányadosnak nevezzük.  =  I

Egyes izotópok mágneses magrezonanciás tulajdonságai IzotópI Természetes előfordulás %  mag- magneton  radian/ Tesla sec NMR frekvencia [MHz] 4,7 Tesla térerőnél Kémiai eltolódás tartomány [ppm] Relatív érzékenység Egyenlő számú magra Természetes izotóp-arány mellett 1H1H1/299,98442,79272, ,000 2H2H10,01560,85740,410730,7109,65× ,45× B3/281,172,68800,858364,22500,1650, C1/21,1080,70220,672650,32501,59× , 76× N199,6350,4036-0,193314,49001,01× ,00× N1/20,365-0,2830-0,271120,39001,04× ,85× O5/20,037-1,8930-0,362727,17000,02911,08× F1/21002,62732, , Na3/21002,21610, , Si1/24,70-0,5548-0,531639,74007,84× ,68× P1/21001,13051, , Cl3/275,530,82090,262119,67,70× ,55×10 -3

Mágneses energiaszintek E m= -1/2 E=0,5  ħ B 0 B0B0 13 C  13 C  Példa: I=1/2 pl.:B 0 = 11,74 Tesla (500 MHz) 1 H (500 MHz) N totál = N  = N  = H  antiparallel 1 H  parallel m= +1/2 E=-0,5  ħ B 0  E=  ħ B 0

B0B0 B 0 >>>>M z (mérhetetlen) B0B0 eredő mágnesezettség a különböző fázisú spinek egyenletes eloszlása a precesszió szöge  precesszió

A precesszió frekvenciája: Hertz Larmor frekvencia = f ( , B 0 ) A rezonancia (a spinek parallel állapotból antiparallel állapotba jutnak): a besugárzás frekvenciája egyezzen meg a Larmor frekvenciával. Rezonancia frekvencia:  E = h  =  ħB 0 CW NMR (continuous wave,  -t (B 0 -t) fokozatosan változtatják, pásztázzák) PFT NMR (pulse Fourier transformation, az összes átmenetet egyszerre gerjesztik egy rövid pulzussal)

 /Hz  -sugarak röntgen- sugarak ultraibolya látható infravörös mikrohullámú rádió- frekvenciás Mössbauer elektron- gerjesztési rezgési forgási NMR H1H 19 F P 13 C  /MHz Az elektromágneses spektrum

B0B0 B1B1 rezonancia fázis-koherencia (kötegelődés) M y eredő mágnesezettség B0B0 M z eredő mágnesezettség y x z

B0B0 Az eredő mágnesezettség megváltozása B1B1 Rezonancia: M z  0, M y alakul ki Relaxáció: M z visszaépül, M y  0 B 0 >>>> B 1

FID: free induction decay szabad indukciós lecsengés szinuszoid oszcilláló FT B1B1 IdőFrekvencia

korrekciós tekercs forgó légpárna

vákuum folyékony N 2 -kamra (-70  C) vákuum folyékony He-kamra (-269  C) szupravezető tekercs

200 MHz 250 e USD 600 MHz 750 e USD 900 MHz 3500 e USD

A rezonancia frekvencia függ: - a mag fajtájától - a mag kémiai környezetétől Mágneses térerő egy adott mag környezetében:  : árnyékolási tényező Kémiai eltolódás ppm, dimenzió nélküli 1729,6 Hz502,4 Hz6,136 ppm 4324 Hz1256 Hz6,136 ppm 500   10 6

Legfontosabb NMR jellemzők: 1) Kémiai eltolódás 2) Spin-spin csatolás (csatolási állandók, multiplicitás) 3) Intenzitás/terület 4) Relaxációs idő 1) Kémiai eltolódás 1 H NMR: 10 ppm 13 C NMR: 250 ppm 19 F NMR: 800 ppm 31 P NMR: 700 ppm TMS ppm HDO Magasabb helyi tér Magasabb frekvencia Kisebb árnyékolás Alacsonyabb elektronsűrűség

köztes pH értékeknél a savi és bázikus forma kiátlagolt jele látható Ecetsav 1 H NMR titrálása A pH változtatás hatása a kémiai eltolódásra savas karakterű molekulák esetén • az 1 H kémiai eltolódást meghatározó egyik fő faktor a helyi elektronsűrűség • a savi disszociáció növeli az elektronsűrűséget a savi csoport környezetében • a szomszédos szénhez kapcsolódó protonok NMR jele alacsonyabb ppm felé tolódik

Ecetsav NMR-pH titrálási görbéje

csatolási állandók 2 n : nem ekvivalens magok (három kötésen belül) 3 J HH 2 J HC (vicinális)(geminális ) A 3-kötéses csatolási állandók fontos jelzői a konformációnak Összefüggés a diéderes szög és 3 J HH csatolási állandók között (Karplus)  C C H H 3 J HH (Hertz)  transz 2) Spin-spin csatolás: aktív magok közötti kölcsönhatás, ami jelfelhasadást okoz (multiplicitás) Csatolás: 1) direkt (D, dipoláris), téren keresztüli (szilárd fázisú NMR-ben) 2) indirekt (J, skaláris, független B 0 -tól), kötő elektronokon keresztüli 1 J CH multiplicitás (a csúcsok száma) n+1: ekvivalens magok (három kötésen belül) mágnesesen ekvivalens magok: azonos kémiai eltolódással és csatolási állandókkal (kémiailag ekvivalens magoknál a csatolási állandók eltérőek)

Multiplicitás egyenértékű szomszédokkal Nincs szomszédos mag: szingulet a) b) Egy szomszédos mag: dublet c) d) Két szomszédos mag: triplet Három szomszédos mag: kvartet 1:1 1:2:1 1:3:3:1 Az NMR csúcs: Lorentz görbe n+1 HAHBHCHAHBHC  Intenzitások: Binomiális együtthatók (összegük 2 n ) Egy spin energiája függ a szomszédos spinek orientációjától HAHBHAHB 

Multiplicitás nem-ekvivalens szomszédos magok esetén: ABX spinrendszer 3 J AX 3 J BX 3 J AX 2 J AB 3 J BX 2 J AB ppm HxHx HAHA HBHB N-acetilcisztein Ez elsőrendű (Δ  AB /J AB > 7) spektrumokra igaz, a másodrendű spektrumok bonyolultabbak (háztető effektus, a csúcsok összeolvadása) → B o legyen nagy

1 H-NMR spektrum: N-acetilcisztein D 2 O-ban pD~ MHz t-but d-d

Efedrin-hidroklorid D 2 O-ban (360 MHz) 3) Intenzitás/terület

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, spin-spin idő M xy 4) Relaxációs idő: az eredeti M z 1/e része visszaáll 90° x gerjesztés relaxáció 90° x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, idő spin-rács MzMz A populáció különbség visszaállA fázis-koherencia megszűnik

1,88 Tesla 5,87 Tesla Hertzben a skála ~3-szorosára növekedett, a vonalszélesség ppm-ben 1/3-ára csökkent. A térerő hatása a spektrumra

 Hertz = f(B 0 ) J Hertz = f(B 0 )

Érzékenység növelés spektrum akkumulációval Jel/zaj

Mag Overhauser hatás (NOE - Nuclear Overhauser effect) a) b) besugárzás telítés NOE: az I spin intenzitásának megváltozása, ha az S spint telítésbe visszük. Mágneses dipólusok relaxációján alapul, a molekulák rotációs mozgása révén Két térközeli mag J (kötéseken keresztüli) csatolás nélkül S telítése, I nagysága nő vagy csökken

A molekulák átfordulási sebességét befolyásolja a) Hőmérséklet b) Oldószer (viszkozitás) A NOe arányos -nal r -6 5 Å távolságon belül érvényesül a) 3D konformáció b) Hatóanyag-receptor kölcsönhatás meghatározására. A NOe és annak 2D változata a fő eszközök a molekulatömeg 1000 gyors „bukfencezés” lassú „bukfencezés”

Dinamikus NMR Kémiai csere: olyan folyamat, amely során az atommag cserélődik két olyan környezet között, amelyben NMR paraméterei eltérőek - intramolekuláris folyamatok: proton átadás (pl. keto-enol tautoméria), konformációs változások (pl. rotamerek egymásba alakulása) - intermolekuláris folyamatok: kis molekulák kötődése makromolekulákhoz, protonálódási folyamatok Kicserélődési sebességek az NMR kémiai eltolódás skálához viszonyítva - lassú csere: k <<  AB (  A -  B ) a két rezonancia láthatóan elkülönül - gyors csere: k >>  AB csak egy átlagos rezonancia figyelhető meg  observed = x A  A + x B  B A B k k k k

A B k k k <<  AB k >>  AB Kémiai csere Hőmérsékletfüggő spektrumsorozat

Több-pulzusos technikák 1) Inverziós visszaépülés 2) Hahn spin echo Pulzusszekvencia 3) 2D NMR

Inverziós visszaépülés B0B0

A relaxációs idő az 1 H és 13 C NMR spektroszkópiában másodperc tartományba esik. Magok relaxációs tulajdonságainak (T 1 ) mérése

B0B0 3 spin Hahn spin echo: detektálás előtt a spinek refókuszálása (mágneses inhomogenitás)

2D NMR A kísérlet 3 (4) fázisa: 1) Előkészítés  /2 2) Kifejlődés:1D kísérletek sorozata tDtD t D +i t D +i+i t D +i+i+i… tipikusan 256 i 3) Keverés (nem feltétlenül) 4) Detektálás: az utolsó  /2

B0B0  /2 x t1t1 Felvétel (t 2 ) t1t1 2D NMR (COSY)

t 1 =0 t1t1 22 t1t1

Kontúr plot átlón kívüli off-diagonális COSY – Correlation Spectroscopy

DNS-RNS oligonukleotid 500 MHz NOESY Diagonális Off-diagonális

Aszpirin kis-felbontású 400 MHz-es COSY spektruma 22 11

COSY Gly – Tyr – Gly COSY TOCSY NOESY