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

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

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

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 x y z

Ismétlés - alapkurzusból Az átmenet leírása a forgó koordinátarendszerben A B1 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 Na-Nb x y z

A két legfontosabb impulzus x y z x y z p/2x px

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

Relaxációs folyamatok Relaxáció egy π/2 impulzus ut án 2,00 2,00 1,80 1,80 Mz 1,60 1,60 1,40 1,40 1,20 1,20 M z 1,00 1,00 xy M 0,80 0,80 0,60 0,60 0,40 0,40 0,20 Mxy 0,20 0,00 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 t/s

Free Induction Decay

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

Az inhomogenitás hatása Mxy(t) – e-t/T*2 és T2>T*2 Mxy – max. B=Bo+δB B=Bo-δB y 0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 0,0 4,0 8,0 12,0 t/s T2 T*2 Mxy B=Bo Mxy(t) – e-t/T2 x

T2 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 πx-impulzus hogyan hat két eltérő frekvenciával precesszáló mágnesezett-ségi vektor komponenseire!

T2 mérése – a πx-impulzus y z M1 – v1 M2 – v2 v2 > v1 πx

T2 mérése – a Carr-Purcell szekvencia τ τ π/2x πx t2 FFT x y z x y z x y z x y z x y z vL változó τ-val ismételve 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,05 0,10 0,15 0,25 0,30 2τ/min Intenzitás

T1 mérése A longitudinális mágnesezettség (Mz) változásá-nak mérése Bo nagysága miatt nem lehetséges. A feladat az Mz-vel arányos mégnesezettségi komponens létrehozása az xy-síkban. A kísérlet a spinpopuláció invertálásával indul, és a különbség zérusra csökkenésének sebességét méri.

T1 mérése τ πx π/2 t2 FFT x y z x y z x y z x y z vL változó τ-val ismételve 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,05 0,10 0,15 0,25 0,30 τ/min Intenzitás

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

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.

Nuclear Overhauser Effect Ha a rendszer a nem sugárzásos átmeneteken keresztül relaxá- lódik, akkor igen! N + 2δ N + δ N N+1/2 δ N+ 3/2 δ W2 N N + 2δ 3/2δ βα αα αβ β β S I A X βα αα αβ β β S I A X Telítés S-en! Wo N + δ 1/2δ A különbség mindenütt δ Az I szerinti relaxáció hajtóereje nem változik: δ ha Wo a domináns, akkor I jele csökken, ha W2 a domináns, akkor nő

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

Polarisation Transfer Első ránézésre nagyon hasonló a helyzet, mint a NOE-nál, de itt a két mag csatolásban van egy-mással, pl. a 13C és a rajta lévő 1H-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!

Polarisation Transfer Boltzmann-eloszlás: ΔNH = 4ΔNC βα αα αβ β β C1 C2 H1 H2 βα αα αβ β β C1 C2 H1 H2 N-ΔNH+ΔNC N+ΔNH+ΔNC N+ΔNH-ΔNC N-ΔNH+ΔNC N+ΔNH+ΔNC N-ΔNH-ΔNC N-ΔNH-ΔNC N+ΔNH-ΔNC 6ΔNC -10ΔNC π-imp. az H1-n! 1H-13C 1H 13C 1H 13C

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.

1D-NMR szekvenciák Vannak olyan szekvenciák, amelyek eredménye-ként csak egyetlen frekvenciatengellyel rendelke-ző színképet kapunk. Ilyen pl. azok az eljárások, amelyek pl. a 13C-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!

A DEPT szekvencia A kísérlet célja, hogy segítse meghatározni a 13C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. π/2x πx Θx τ 1H 13C FID Distortionless Enchanced by Polarisation Transfer -180 Hz, 7, 3, 120 Hz -100 Hz, 4, 1, 150 Hz -70 Hz, 3, 2, 125 Hz -50 Hz, 2, 1, 140 Hz 50 Hz,1, 0, 0 Hz A használt tesztadatsor (-200 és 200 Hz közt). 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 (CH2) szenek jele negatív és a metileké (CH3), és a metineké (CH) pozitív. A kvaternerek nem látszanak, csak a hagyományos 13C-NMR-ből azonosíthatók.

Az APT szekvencia A kísérlet segítségével meg lehet határozni a 13C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. π/2x πx τ 1H 13C változhat FID Attached Proton Test A τ = (J)-1 körüli érték esetén a metilén (CH2) , és a kvaterner (C) szenek negatív jelet adnak, míg a metileké (CH3), és a metineké (CH) pozitív. Nincs szükség több színkép felvételére és a hagyományos 13C-NMR színképre sem!

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.

Pulzussorozatok általában τ πx π/2 t2 A vizsgálandó folyamat érvényesülése, kifejlődése. Tartalmazhat pulzusokat, folyamatos besugárzásokat. Hossza változhat, amiből a t1–tengely származik a 2D-NMR-alkalmazásokban. Detection Detektálás Preparation Előkészítés Evolution Kifejlesztés Mixing/Keverés A FID mérése A kiindulási állapot beállítása, tartalmaz-hat pulzusokat és fo-lyamatos besugárzást is. Fix hosszúságú. A vizsgálni kívánt mágnesezettségi komponennek az xy-síkba történő beforgatására szolgáló impul-zusok. Fix hosszúságú, de hiányozhat is!

Chemical Shift COrrelation SpectroscopY Homonukleáris spinkorrelációs spektroszkópia – a magok közti J-csatolások kimutatására t2 π/2x t1 π/2x FFT x y z x y z x y z x y z vL vL -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2 4 6 8 10 12 14 t1/s Intenzitás FFT

Két spin, csatolás nélkül. va=0,1 Hz, va=0,25Hz, T1=12s, T2=8s Homonukleáris-COSY Két spin, csatolás nélkül. va=0,1 Hz, va=0,25Hz, T1=12s, T2=8s t2 π/2x t1 π/2x FFT x y z x y z x y z x y z x y z x y z x y z x y z va vb

Két spin, csatolás nélkül. Homonukleáris-COSY 0,00 0,50 1,00 1,50 Két spin, csatolás nélkül. Intenzitás 0,00 0,50 1,00 1,50 va 0,0 4,0 8,0 12,0 vb 0,0 4,0 8,0 12,0 ν1/Hz νa νb v2/s FFT νa νb ν2/Hz

Két csatolt spin, csatolás va=0,1 Hz, va=0,25Hz, J=0,1Hz T1=12s, T2=8s Homonukleáris-COSY Két csatolt spin, csatolás va=0,1 Hz, va=0,25Hz, J=0,1Hz T1=12s, T2=8s t2 π/2x t1 π/2x FFT x y z x y z x y z x y z J va vb

Homonukleáris-COSY Két csatolt spin FFT v2/Hz 0,00 0,50 1,00 1,50 0,0 4,0 8,0 12,0 v2/Hz

A korrelációs felület J ν1/Hz νa νb Cross-peaks – kereszt csúcsok νa Correlation square korrelációs négyzet Auto-peaks – átlós csúcsok Axial-peaks – tengely csúcsok νb ν2/Hz

Heteronukleáris-COSY π/2x π/2x 1H πx π/2x t1/2 t1/2 Δ1 Δ2 t2 13C ~1/(2J) ~1/(3J)

J - Spektroszkópiák t2 t1 t1 A2X3 1H Homonukleáris J-Spektroszkópia πx J/Hz J A2X3 J δA δX δ/ppm

J - Spektroszkópiák A2X3 Homonukleáris J-Spektroszkópia - átszeletelve J/Hz J J δA δX δ/ppm A2X3

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

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

Magnetic Resonance Imaging

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.

Irodalom Honlapok: http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/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.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