Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György

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

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

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

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

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

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

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

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

Elektromágneses frekvenciatartomány Hullámhossz (m) 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 Frekvencia (Hz) 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 Energia (eV) 105 103 101 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 gamma röntgen UV infravörös mikrohullám 100 MHz 800 MHz rádiófrekvencia (rf) látható NMR spektroszkópia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét Energiaviszonyok -Elektronspektroszkópia (UV és látható) ~100-780 nm 700 nm 4,3*1014 Hz -Infravörös spektroszkópia ~12.300-30 cm-1 3000 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Nagyfeloldású NMR Spektroszkópia feltétele 600-900 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 400 000 km = 4 * 1010 cm.] Mi történik, ha elrontjuk a homogenitást? A gradiensnek megfelelően széles jelek. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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