Transcript letöltés

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 kölcsönhatása
 Eredő mágnesezettség kialakulása - I=1/2 mag
 A laboratóriumi és a forgó
koordinátarendszer
z
y

E

E
és N   e
N   xe
mivel E   E  ezért N   N 
kT
kT
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
N-N
z
y
x
A két legfontosabb impulzus
z
z
y
y
x
x
p/2x
px
Relaxációs folyamatok
 Egy π/2-impulzus után a kialakult Mxy komponens
megszűnik, míg a megszűnt Mz komponens viszszaépül.
 Az Mz visszaállása során a rendszer energiát ad át
a környezetének – spin rács/longitudinális relaxáció, 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 után
2,00
xy
(t )  M
max .
xy
e
t
1,80
T2
Mz
forgó koordináta rendszer


T
M z (t )  M  1  e 1


t
0
z
1,80
Mz




1,60
1,60
1,40
1,40
1,20
1,20
1,00
1,00
0,80
0,80
0,60
0,60
0,40
0,40
0,20
Mxy
0,00
T1  T 2
0,20
0,00
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
t/s
10,0
12,0
14,0
16,0
Mxy
M

2,00
Free Induction Decay
Mxy komponensei
2,5
2,0
Mx
My
1,5
Mx/y
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
2,0
0,0
4,0
6,0
8,0
10,0
14,0
12,0
16,0
t/s
M x (t )   M

max .
xy
e
t
T2
sin  2p L t   
M y (t )  M

max .
xy
e
t
T2
cos  2p L t   
A Fourier-transzformált
-0,1Hz
0,1Hz
-0,1Hz
0,1Hz
Quadrature detection
-0,1Hz
0,1Hz
Az inhomogenitás hatása
z
Mxy(t) – e-t/T*2 és T2>T*2
B=Bo+δB
B=Bo-δB
Mxy – max.
y
2,00
1,60
Mxy(t) – e-t/T2
x
Mxy
B=Bo
1,20
T2
0,80
0,40
0,00
0,0
T*2
4,0
8,0
t/s
12,0
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 mágnesezettségi vektor komponenseire!
T2 mérése – a πx-impulzus
z
M1 – v1 M2 – v2 v2 > v1
y
x
πx
T2 mérése – a Carr-Purcell szekvencia
τ
π/2x
z
x
z
z
y
y
x
0,80
M
0,60
t2
FFT
z
y
x
1,00
Intenzitás
x
πx
z
y
τ
(t )  M
xy

max .
xy
e
x
2
T2
0,40
0,20
0,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
2τ/min
y
vL
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
y
x
FFT
z
y

0
0,80
z
y
x
M z (t )  M z e
1,00
Intenzitás
x
π/2
z
z

T1
0,60
0,40
0,20
0,00
0,00
t2
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
τ/min
x
y
vL
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 megléte 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 változását eredményezi akkor, ha egy másik rezonancia
átmenetét megzavarjuk, legtöbbször a megzavarás
módja az átmenet telítése.
I
S
αα
AX
βα
I
1/2δ
Wo
αβ
1/2δ
W2
I
3/2δ
Az I szerinti relaxáció
hajtóereje nem változik: δ
αα
AX
ha Wo a domináns, akkor I jele csökken,
ha W2 a domináns, akkor nő
S
N +δ
N+ 3/2 δ
N+1/2 δ
N +δ
αβ
A különbség
mindenütt δ
N +δ
βα
S
I
N + 2δ
N +δ
S
N+ 3/2 δ
N + 2δ
N
ββ
Ha a rendszer a nem sugárzásos
átmeneteken keresztül relaxálódik, akkor igen!
β β 3/2δ
Telítés S-en!
N+1/2 δ
N
Nuclear Overhauser Effect
Nuclear Overhauser Effect
A NOE lehetséges
maximális értéke
ηNOE = γS/2γI
Besugárzott mag
Mért mag
ηNOE
1 + ηNOE
1
19
H
1
H
0,5
1,5
Az egymáshoz térben
közel lévő, de csatolásban nem lévő magok
felderíthetők!
13
C
1,99
2,99
15
N
-4,93
-3,93
F
19
F
0,53
1,53
29
Si
-2,52
-1,52
A mérhető maximális
erősítés: 1 + ηNOE
31
P
1,24
2,24
1
H
0,47
1,47
13
C
1,87
2,87
19
F
0,5
1,5
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 besugárzás, telítés van, hanem egy szelektív, csak az egyik átmenetet érintő π-impulzus, amelyik létrehozza az inverz populációt, azaz a természetes megoszlásnak megfelelő többlet, a magasabb energiájú szinten van.
 Ez megváltoztatja a másik mag benépesítettségi különbségét is, amely megváltoztatja a mért intenzitásokat!
Polarisation Transfer
Boltzmann-eloszlás: ΔNH = 4ΔNC
ββ
ββ
N-ΔNH-ΔNC
C2
βα
N-ΔNH+ΔNC
6ΔNC
βα
H1
N+ΔNH-ΔNC
C2
H1
N-ΔNH+ΔNC
1H-13C
αβ
H2
N+ΔNH+ΔNC
1H
π-imp. az H1-n!
N+ΔNH-ΔNC
αα
C1
13C
αβ
H2
N+ΔNH+ΔNC
1H
N-ΔNH-ΔNC
-10ΔNC
αα
C1
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 csatornáján, a mérendő mag FID-jének regisztrálása közben, ismétlődő 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 rendelkező színképet kapunk.
 Ilyen pl. azok az eljárások, amelyek pl. a 13CNMR-színképekben található sávok hozzárendelését segítik.
 A probléma, hogy ezeket NOE és szélessávú lecsatolás mellett veszik fel, ezért a kémiai eltolódáson kívül más egyértelműen felhasználható információt 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.
πx
π/2x
Distortionless
Enchanced by
Polarisation
Transfer
1H
τ
Θx
τ
π/2x
τ
πx
13C
FID
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.
változhat
1H
Attached
Proton
Test
πx
π/2x
13C
τ
τ
FID
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 xtengelyén ábrázolt kémiai eltolódás és csatolási
állandók szétválaszására szolgálnak.
Multiple Quantum Experiments – pl. a J előjelének
meghatározására szolgáló eljárás is ide tartozik.
τ
A kiindulási állapot
beállítása, tartalmazhat pulzusokat és folyamatos besugárzást
is. Fix hosszúságú.
A vizsgálandó folyamat
érvényesülése, kifejlődése.
Tartalmazhat pulzusokat,
folyamatos besugárzásokat.
Hossza változhat, amiből a
t1–tengely származik a 2DNMR-alkalmazásokban.
π/2
Mixing/Keverés
Kifejlesztés
πx
Evolution
Előkészítés
Preparation
Pulzussorozatok általában
t2
Detection
Detektálás
A FID
mérése
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
t1
π/2xz
z
t2
π/2x
z
FFT
vL
z
vL
M y ( t1 )  M
y
x
y
y
x
M x ( t1 )  M
1,50
Intenzitás
( t1 ) cos  2 p L t1 
y
x
2,00
xy
xy
x
( t1 ) sin  2 p L t1 
1,00
FFT
0,50
0,00
0
-0,50
-1,00
2
4
6
8
10
12
14
t1/s
Homonukleáris-COSY
Két spin, csatolás nélkül.
t1
π/2x
z x
x
x
y
y
z x
x
y
FFT
z
z
y
y
z x
t2
π/2x
z
z
y
va=0,1 Hz, va=0,25Hz, T1=12s, T2=8s
y
z x
x
y
va
vb
Homonukleáris-COSY
Két spin, csatolás nélkül.
Intenzitás
1,50
1,50
1,00
0,50
va
0,00
0,0
1,00
4,0
8,0
12,0
0,50
0,00
0,0
4,0
8,0
12,0
vb
νa
v2/s
νa
νb
ν2/Hz
νb
ν1/Hz
Homonukleáris-COSY
Két csatolt spin, csatolás
t1
π/2x
z x
y
x
y
y
z x
x
y
FFT
z
z
y
y
z x
t2
π/2x
z
z
x
va=0,1 Hz, va=0,25Hz, J=0,1Hz T1=12s, T2=8s
y
z x
x
y
J
J
va
vb
Homonukleáris-COSY
Két csatolt spin
1,50
FFT
1,00
0,50
0,00
0,0
v2/Hz
4,0
8,0
12,0
A korrelációs felület
νa
νb
J
Correlation square
korrelációs négyzet
J
νb
ν2/Hz
J
J
Axial-peaks – tengely csúcsok
νa
ν1/Hz
Heteronukleáris-COSY
π/2x
π/2x
1H
t1/2
t1/2
Δ1
π/2x
Δ2
~1/(3J)
13C
~1/(2J)
πx
t2
J - Spektroszkópiák
Homonukleáris J-Spektroszkópia
πx
π/2x
1H
t1
t1
t2
J/Hz
J
A2X3
J
δA
δX
δ/ppm
J - Spektroszkópiák
Homonukleáris J-Spektroszkópia - átszeletelve
J/Hz
J
J
δA
A2X3
δX
δ/ppm
Int. ~ c
NMR inhomogén térben
Intenzitás
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!
νL(x)
Intenzitás
NMR inhomogén térben - MRI
B(x)
Nagyszámú adatból
képalkotó eljárások
segítségével megalkotható 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/VirtTxt





Jml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm
http://www.chemie.unihamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html
http://www.files.chem.vt.edu/chemdept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm
http://www.spincore.com/nmrinfo/software_s.html
http://www.effemm2.de/spekwin/index_en.html