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 perdülettel (spin) rendelkeznek, aminek következtében a magoknak mágneses nyomatéka (  ) és szögnyomatéka (p) van. Ez utóbbiak hányadosa a giromágneses (csavarómágneses) hányados (  ).

A protonok és neutronok a legalacsonyabb energiaszintű pályákat igyekeznek elfoglalni (ebben az elektronokkal megegyeznek), és az ellentett spinűek igyekeznek párosítódni (ebben az elektronoktól eltérnek). Energia protonneutron 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) m I : a mag mágneses kvantumszáma, melynek értéke lehet: -I, -I+1, …, I-1, I NMR inaktív magok NMR aktív magok

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 Egyes izotópok mágneses magrezonanciás tulajdonságai

Mágneses energiaszintek B0B0 1H 1H  1H 1H  E m= +1/2 E=-  B 0 m= -1/2 E=  B 0 B0B0 13 C  13 C  Példa: I=1/2 Pl.:B 0 = 11,74 Tesla (500 MHz) 1 H N totál = N  = N  =

B0B0 B 0 >>>>M z

A precesszió frekvenciája: Hertz Larmor frekvencia = f ( , B 0 ) A spínek paralel állapotból akkor jutnak antiparalel állapotba, ha a besugárzás frekvenciája megegyezik a Larmor frekvenciával.  E=2  B 0  E=h Rezonancia frekvencia, az NMR jel feltétele CW NMR (continuous wave) FT NMR (Fourier transformation)

B0B0 B1B1

B0B0

B0B0 B1B1

B0B0

B0B0 B1B1

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

Egy mag mozgásai: B0B0 1) Spin 2) Rotáció a z tengely körül B 0 + B 1 3) Rotáció az y tengely körül Precesszió Nutáció Mivel B 0 >>>> B 1  0 >>>>   Tesla (példák) B0B0 B1B1 11,74 5,9  10 -4

nagyvákuum N 2 -kamra nagyvákuum He-kamra szupravezető tekercs

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 D2OD2O

Legfontosabb NMR jellemzők: 1) Kémiai eltolódás 2) Multiplicitás 3) Csatolási állandó 4) Intenzitás/terület 5) 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 Alacsonyabb tér Magasabb frekvencia Kisebb árnyékolás Alacsonyabb elektronsűrűség

Kémiai és mágneses ekvivalencia Multiplicitás nem egyenértékű szomszédos magoknál: 2 n 3 J HA,HX 3 J HB,HX 3 J HA,HX 2 J HA,HB 3 J HB,HX 2 J HA,HB ppm Nem elsőrendű:  /J < 7 XA B

N-acetil-cisztein 1 H NMR spektruma D 2 O-ban pD~ MHz

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  Binomiális együtthatók vö. dublet-dublet

2) Multiplicitás 3) Csatolási állandó A csúcsok száma: n+1 Relatív intenzitásuk: binomiális Ha a szomszédos magok ekvivalensek 2 n : nem ekvivalens magok három kötéstávolságon belül pl.: 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

Efedrinium-klorid D 2 O-ban (360 MHz) 4) Intenzitás/terület

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, spin-spin idő M xy 5) Relaxációs idő 90° x gerjesztés relaxáció 90° x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, idő spin-rács MzMz

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 jelenség: két mag J csatolás nélkül S telítése, utána 1 H NMR Dipólok relaxációján alapul a) b) besugárzás telítés

NINI NINI NINI NSNS NINI NSNS NINI WI1WI1 WS1WS1 WI1WI1 WS1WS1 W0W0 W2W2    Energia NSNS NSNS NINI NINI NSNS NINI NSNS WI1WI1 WS1WS1 WI1WI1 WS1WS1 W0W0 W2W NSNS NSNS

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 A NOe és annak 2D változata a fő eszközök a meghatározására. molekulatömeg 1000 relaxációs tartomány gyors „bukfencezés” W2W2 W1W1 relaxációs tartomány W0W0 relaxációs tartomány lassú „bukfencezés”

Több-pulzusos technikák 1) Inverziós visszaépülés 2) Hahn spin echo Pulzusszekvencia 3) 2D NMR A relaxációs idő az 1 H és 13 C NMR spektroszkópiában másodperc tartományba esik.

Inverziós visszaépülés B0B0

Hahn spin echo B0B0 3 spin

B0B0

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

t 1 =0 t1t1 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 1

COSY Gly – Tyr – Gly COSY TOCSY NOESY

NMR képalkotó technikák Egész test képalkotás NMR mikroszkópia  m felbontás 1 H 31 P H2OH2O Mágneses Rezonancia Képalkotás Magnetic Resonance Imaging – MRI Térbeli információ Frekvencia Térerő B 01 B 02 in vivo

MRI 1 H, 31 P „Morfológiai profil” Real time Noninvazív B 0 gradiens Kontraszt anyagok Emberi fej MRI felvétele Agytumor diagnosztizálása MRI-vel

A képalkotó technikákban T 1 vagy T 2 relaxációs időt vizsgálunk. A relaxációs idő megmutatja: 1) Hogy a víz kötött -e 2) Hogy van –e jelen valamilyen fémion (főként paramágneses) Kötött víz: lassú átfordulás (bukfencezés) Paramágneses fémionok: gyors víz H relaxáció Így daganatokat, főként szilárd daganatokat lehet diagnosztizálni. agytumormájtumor

in vivo MRS „Kémiai” és „metabolikus” profil Real time 1 H, 31 P, 19 F, 23 Na, 13 C Noninvazív, nondestruktív Egyetlen felületi tekercs Emberi felkarcsont 40 MHz-es 31P NMR spektruma nehéz fizikai munka elött és után.

in vivo MRS Etanol 1 H NMR spektruma, amelyben külön láthatók az OH, CH 2 és CH 3 protonok jelei (balról jobbra.) Emberi máj in vivo (2,1 T) 13 C MR spektruma.