Kísérleti eljárások, fontos fogalmak NMR spektroszkópia (vegyész mesterkurzus: VEMKSI 4312S) Szalontai Gábor 2012. december Kísérleti eljárások, fontos fogalmak 6. rész: Gradiens segített spektroszkópia (34 ábra) Pannon Egyetem Kémiai Intézet NMR Laboratórium

Tartalom - Összetett (kompozit) impulzusok - Koherenciák és gerjesztésük - Összetett (kompozit) impulzusok Szélessávú lecsatolás és spin –lock Szelektív gerjesztés, impulzusformák Oldószer elnyomás Gradiens segített spektroszkópia Heterogén minták, MAS

A koherencia fogalma A koherencia definiciója: tranzverzális mágnesezettség Az egy-kvantumos, SQ koherenciákat (normál 1D mérés) a spinek fáziskoherenciáján keresztül tudjuk detektálni (csak ezek keltenek feszültséget a tekercsben. A longitudionális mágnesezettség zéró-kvantumos,ZQ koherenciának felel meg (NOE és kém. csere mérések).

A koherencia: 90o impulzus vs. gyenge rf telítés Mindkettő kiegyenlíti a két átmenet betöltöttségét, de … a 90o impulzus fázis koherenciát hoz létre: tranzverzális mágnesezettség a gyenge rf tér nem, tehát nem lesz mérhető mágnesezettség jelen. Több-kvantumos koherenciák (MQ): lásd pl. Freeman Handbook of Magnetic Resonance

Az MQ koherenciák tulajdonságai Egy p rendű koherencia p-szeres függést mutat a hordozótól való távolságtól (offset= kémiai eltolódás) Egy p rendű koherencia p* f -szeres függést mutat a a gerjesztő impulzus fázisváltozásától (f). Egy p rendű koherencia (p=+/-1)* f -szeres függést mutat a detektáló impulzus fázisváltozásától (f). A Bo tér inhomogenitásának hatása: a homonukleáris zéró-kvantum koherenciák függetlenek az inhomogenitástól, a két-kvantumos koherenciák kétszeres sávszélesedést mutatnak az egy-kvantumosokhoz képest. Általában a függés p-szeres. A koherenciáknak tehát előjelük (+/-) is van.

A koherenciák előjele SQ: a +1 és a -1 két tükörképi viszonyban ( a forgó rendszerben a referencia frekvenciához képest) lévő jelnek felel meg, amelyek azonos frekvenciával, de ellentétes irányban precesszálnak.

Koherenciák (1) Jegyzet: 4.2.11 ábra Egydimenziós kísérlet, koherencia-szint diagram. Az impulzus hatására mindkét (+1 és -1) koherencia létrejön ! A kvadratúr detekció során rendszerint a -1–es p szintet (kvantum állapotot) választják ki a mérés céljaira. A szaggatott vonallal jelzett (+1) mágnesezettséget nem használják.

Koherenciák (2) 4.2.12 ábra (jegyzet) Példa: egy kétdimenziós kísérlet (abszolútérték és fázisérzékeny COSY változatok) koherencia-szint diagramjai. A P (azonos) és N (ellentétes) típusú kísérletek között különbség csak az egy-kvantumos koherenciák forgási irányában van a t1 és t2 idők alatt! A fázisérzékeny kísérlethez azonban mindkét komponensre szükség van!

Különböző koherenciák (SQ, DQ, MQ ) előállítása A NMR kiválasztási szabályok alapján a kvantum-állapotváltozás DM=+/-1, ami elérhető gyenge folyamatos besugárzással vagy rövid erős impulzussal. Egyéb átmenetek formailag tiltottak, azonban a szabály áthágható (azaz DM=+/-n átmenetek is gerjeszthetőek) a szokásosnál lényegesen erősebb folyamatos besugárzással vagy egy második erős rf impulzus alkalmazásával. Több eljárás van több-kvantumos koherenciák előállítására, pl. a 90o-t-180o-t-90o szekvencia, amely a 180o –as refókuszáló impulzusnak köszönhetően a gerjesztést függetlenné teszi az „offset” (kémiai eltolódás) hatásoktól.

Az MQ koherenciák detektálása Detektálásuk mindig indirekt, azaz rekonverziót igényel egy-kvantumos, SQ átmenetekre, az eredmény mindig azonos számú pozitív és negatív jel (a nettó átvitel zéró). Egy változó t1 idejű kifejlődési periódust alkalmazva jutnak el egy 2D kísérlethez, ahol az F1 dimenzió tartalmazza az több-kvantumos, MQ frekvenciákat.

Koherenciák: kiválasztás A kívánt koherenciák kiválasztásának legegyszerűbb hagyományos módja fázisciklusok alkalmazása. COSY: minimum négy lépés, kettő a kvadratúr detekció miatt, kettő pedig az axiális (z-komponens, relax.) csúcsok törlése miatt. A leghatékonyabb eljárás azonban ún. z-térgradiensek alkalmazása …

2pn=gB0 + -

Térgradiensek: alapelvek (1) Nincs mérhető jel, mert a (+) Gz gradiens „szétszórta” a koherenciákat az x-y síkban! Van jel, mert a második, azonos nagyságú, de ellentétes irányú (-) Gz gradiens „refókuszálta” a koherenciákat az x-y síkban!

Térgradiensek: alapelvek (2) A gradiens erőssége Ha a kísérlet koherencia-szelektívvé tehető, akkor igen értékes lesz, mert a fázisciklus kihagyható a szekvenciákból … A gradiens ideje Ez lehetséges, mert a koherenciák szétterülésének sebessége (fz) arányos a koherencia rendűségével (p) ! A giromágneses állandó

Emlékeztető: koherencia rendűség, egy- és több-kvantum koherenciák (egyszerűsített fizikai kép AX rendszer) SQ: DM= +/- 1, ezek észlelhetőek... A X MQ: DM= +/- 2, 3, ... mindig antifázisúak és emiatt nem észlelhetőek... nA + nX

Térgradiensek: alapelvek (3) Ha a kérdéses mágnesezettség eltérő magoktól származik, akkor az egyenlet módosul a magok eltérő giromágneses állandóinak és koherencia rendjüknek megfelelően … A z-gradiens erőssége A gradiens ideje Két-kvantumos koherenciák kétszeres sebességgel terülnek szét, de a zéró-kvantumos koherenciákat nem érinti a gradiens! A giromágneses állandó

Térgradiensek: alapelvek (4) Hogy választható ki pl. egy két-kvantumos koherencia? A z-gradiens erőssége A gradiens ideje Pontosan annyit kell a fázison „visszacsavarni” mint amennyit a két-kvantumos koherencia az előélete során összeszedett! A giromágneses állandó

Térgradiensek: alapelvek (5) + = 0 Egy DQ jelkiválasztás bemutatása: két z gradiensünk van 1:2 arányban, ezek tehát csak az ábrán mutatott két-kvantumosból az impulzus által egy-kvantumossá visszaalakított koherenciát fogják „feléleszteni”, az összes többit nem. Jegyzet 4.2.15 ábra

Kodein 2D (fázisléptetett COSY) spektrum A fázisciklus miatt legkevesebb 4 gerjesztésre van szükség, amely a kvadratur detekció és az ún. t1 zaj kiküszöbölését szolgálja! 1D spektrum A skalárisan csatolt magok között mutatja ki a korrelációkat a keresztcsúcsok segítségével …

Kétdimenziós NMR: korrelációs spektroszkópia, COSY kísérlet (vektormodell) t1változó t2 állandó 90o(x) 90o(x) B1(90o)x Mz=Mcos2pnt1 Mx=Msin2pnt1 B1(90o)x

Egy AX spin-pár viselkedésének kvantum mechanikai leírása lehetséges spin-sűrűség mátrixokkal vagy ún. szorzat operátorokkal J

Térgradiensek: absz. érték COSY kísérlet (SQ) + = 0 SQ P-típusú jelek kiválasztása: A két gradiens ellentétes fázisú hiszen mindkét (az impulzus előtt és után) koherencia rendűsége -1. SQ N-típusú jelek kiválasztása: A két gradiens azonos fázisú hiszen (az impulzus előtt és után) a koherenciák rendűsége -1 és +1.

Térgradiensek: absz. érték COSY kísérlet

Térgradiensek: fázisérzékeny COSY kísérlet Mindkét jelre (P és N) szükségünk lenne az amplitudó moduláció miatt, de persze csak az egyiket lehet kiválasztani. Lehetséges megoldások: (1) nem teszünk gradienst a t1 időszakon belülre vagy (2) az ún. echo-antiecho eljárás alkalmazása, amely két adathalmazt (P és N) vesz fel és utólagosan megfelelően feldolgozza őket. További megoldandó feladat a gradiensek ideje (ms) alatt fellépő fáziscsúszások kiküszöbölése: ezért pl. a gradienseket egy spin-echo –n belülre teszik, ami refókuszálja a fáziscsúszást.

Térgradiensek: fázisérzékeny több-kvantumszűrt COSY kísérlet p/2 p/2 180o p/2 180o

A PFG eljárások előnyei Csak a kiválasztott koherencia detektálása, digitalizálása, transzformálása, stb. Jelentős időnyereség (pl. egy COSY kísérletnél elég egy gerjesztés az eddigi minimum 4 helyett. Kiváló jelelnyomás pl. az inverz kísérleteknél (HSQC, INADEQUATE, stb…). Könnyű használat, nem kritikus a kalibrálás pontossága.

A PFG eljárások mellékhatásai Érzékenység: csak a kiválasztott koherencia detektálása érzékenységcsökkenést eredményez (~2 ). Diffúziós veszteségek: a fellépő jelcsökkenés az alkalmazott gradiens négyzetével arányos, ezért célszerű a legkisebb, de még megfelelő gradiens erő alkalmazása.

Térgradiensek: abszolútérték COSY (ns = 1) F1 spektrumok száma: 256 db, felbontás = 9 Hz

Térgradiensek: NOESY: 1H-1H példa F1 spektrumok: 256 db (ns= 1) felbontás = 9 Hz

Térgradiensek: ROESY: 31P-31P példa ns=2 F1 spektrumok: 256 db, felbontás = 28 Hz

Hidrodinamikus átmérő meghatározása Alkalmazások: Pulse (Field) Gradient Spin Echo kísérlet a transzlációs diffúziós együtthatók meghatározására Hidrodinamikus átmérő meghatározása Transzlációs diffuziós együttható meghatározása Elegyek szétválasztása Diffuzió szelektált 2D spektroszkópia (DOSY)

DOSY: valójában egy adatfeldolgozási, megjelenítési eljárás… Alkalmazások: elegyek szétválasztása a komponensek diffúziós együtthatói alapján (Diffusion Ordered SpectroscopY) DOSY: valójában egy adatfeldolgozási, megjelenítési eljárás… Alapvető előnye a P(F)GSE-vel szemben az, hogy képes keverékek komponenseit térben szétválasztva megjeleníteni. Csere-spektroszkópia JMR 1993 102, 210

Alkalmazások: önszerveződő rendszerek [(Pd(bifosz. )(N … Alkalmazások: önszerveződő rendszerek [(Pd(bifosz.)(N …..N)]1,2,3,4 tektonok: 1H DOSY 1H spektrum [ppm] Transzlációs diffuziós együttható 10-12 [m2/s]

Javasolt irodalom T. Claridge: High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, Pergamon, 1999. R.Freeman: Handbook of NMR , A Physicochemival View. M.Lewitt: spin-dynamics Wiley, 2002