Transcript 6. előadás - NMR Laboratórium

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
- 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 zérókvantumos,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 zérókvantum 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) koherenciaszint 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 kvantumállapotváltozás 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 többkvantumos, 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 (zkomponens, relax.) csúcsok törlése miatt.
• A leghatékonyabb eljárás azonban ún. ztérgradiensek alkalmazása …
Egy z gradiens létezése esetén a jelenség az alábbi leegyszerűsített
ábra segítségével érthető meg.
+
2pn=gB0
-
A térgradiens-impulzusok hatása:
(a) homogén tér esetén minden spin azonos Larmor frekvenciával bír
(b) egy lineáris térgradiens alkalmazása után a magok különböző frekvenciájúak
lesznek és ezért megszűnik a koherencia, ami a jel megszűnését is jelenti
(c) egy második, az elsővel azonos, de ellentétes irányú térgradiens-impulzus
után visszaáll az eredeti állapot, ismét van detektálható jel. Bg a térgradiensimpulzus erőssége, tg pedig az időtartama.
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)
• Ha a kísérlet
koherencia-szelektívvé
tehető, akkor igen
értékes lesz, mert a
fázisciklus kihagyható
a szekvenciákból …
f z  p g B g  z t g
A gradiens erőssége
A gradiens ideje
Ez lehetséges, mert
a koherenciák
szétterülésének
sebessége (fz)
arányos a
koherencia
rendűségével (p) !
A giromágneses állandó
Emlékeztető: koherencia rendűség, egy- és többkvantum koherenciák
(egyszerűsített fizikai kép AX rendszer)
SQ: DM= +/- 1,
ezek
észlelhetőek...
A
X
nA + nX
MQ: DM= +/- 2, 3, ...
mindig
antifázisúak és
emiatt nem
észlelhetőek...
Térgradiensek: alapelvek (3)
• Ha a kérdéses
A z-gradiens erőssége
mágnesezettség eltérő
magoktól származik,
akkor az egyenlet
A gradiens ideje
módosul a magok eltérő
giromágneses állandóinak
Két-kvantumos
és koherencia rendjüknek
megfelelően …
koherenciák kétszeres
sebességgel terülnek
szét, de a zérókvantumos
koherenciákat nem
 Bg z  g pI I
z
érinti a gradiens!
f
t
g
A giromágneses állandó
Térgradiensek: alapelvek (4)
• Hogy választható ki
pl. egy két-kvantumos
koherencia?
A z-gradiens erőssége
A gradiens ideje
 f i   g B g  i t i  0
Pontosan annyit kell a
fázison
„visszacsavarni” mint
amennyit a kétkvantumos koherencia
az előélete során
összeszedett!
A giromágneses állandó
Térgradiensek: alapelvek (5)
f1  (  ) 2 g B g 1 t 1
+
f 2  (  1) g B g  2 t 2
=0
Egy DQ jelkiválasztás
bemutatása: két z
gradiensünk van 1:2
arányban, ezek tehát csak az
ábrán mutatott kétkvantumosból 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)
90o(x)
t1változó
90o(x)
t2 állandó
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)
f 1  (1) g B g 1 t 1
+
f 2   (1) g B g  2 t 2
=0
SQN-típusú
P-típusú jelek
SQ
jelek
kiválasztása:
kiválasztása:
A két gradiens
A két gradiens
azonos
fázisú
ellentétes
hiszen
(az fázisú
hiszen mindkét
impulzus
előtt és
(az impulzus
után)
a
előtt és után)
koherenciák
koherencia-1 és
rendűsége
rendűsége -1.
+1.
Térgradiensek: absz. érték COSY kísérlet
C:\Bruker\TOPSPIN\exp\stan\nmr\lists\pp\cosygpqf
P16:1
P16:1
1e+003u
1e+003u
SINE.100
SINE.100
UNBLK
BLK
Z
P1 ph1=0,2
P0 ph2=[0,0..]
13.5u
13.5u
MC
ZE
H 1
1
2
3
D1
D0
2
3u
50u
D16
D13
D16
200u
4u
200u
Go loop
MC loop
D1
4u
2
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. echoantiecho 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
C:\Bruker\TOPSPIN\exp\stan\nmr\lists\pp\cosygpmfph
P16:1
P16:2
1e+003u
1e+003u
SINE.100
SINE.100
UNBLK
BLK
Z
P1 ph1=1,3
P1 ph2=0
P2 ph4=0
P1 ph3=1
P2 ph4=0
13.5u
13.5u
27u
13.5u
27u
MC
ZE
p/2
H 1
1
2
p/2
p/2
180o
180o
3
D1
D0
DELTA
D13
D16
2
483u
1.2m
4u
200u
Go loop
MC loop
DELTA
D13
D16
1.2m
4u
200u
D1
4u
2
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
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)
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 …..N)]1,2,3,4 tektonok: 1H DOSY
1H
Transzlációs
diffuziós
együttható
10-12 [m2/s]
spektrum [ppm]
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