Az FT-NMR alapvető alkalmazásai

Az előadások a következő témára: "Az FT-NMR alapvető alkalmazásai"— Előadás másolata:

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

2 Történelmi áttekintés
A magspin hatása az atomi színképekre - a felbontás növelésével bizonyos atomok sávjai felhasadtak - Pauli magspin Isidor Rabi mágneses magrezonancia mérése molekulasugarakban - Nobel-díj 1944 az atommagok mágneses tulajdonságainak rezonancia útján történő méréséért 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

3 Történelmi áttekintés
A metódus kettéválik - CW (rf/B shift) - High Resolution Chemical NMR - impulzus módszer - szilárdtestfizika, relaxációs jelenségek vizsgálata FT-NMR Ernst és Anderson - a pulzus módszerrel és a CW-vel kapott színkép azonosságának bizonyítása R.R.Ernst 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 Nobel-díj az MRI felfedezéséért

4 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

5 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

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

7 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

8 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

9 Free Induction Decay

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

11 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

12 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!

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

14 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

15 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.

16 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

17 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

18 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.

19 Nuclear Overhauser Effect
Ha a rendszer a nem sugárzásos átmeneteken keresztül relaxá- lódik, akkor igen! N δ 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

20 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!

21 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!

22 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

23 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.

24 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!

25 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.

26 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!

27 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.

28 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!

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

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

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

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

38 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)

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

40 Magnetic Resonance Imaging

41 Irodalom Könyvek: P.W.Atkins, Fizikai Kémia II. Szerkezet, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp, 1998, 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.

42 Irodalom Honlapok: