1 / 42

Az FT-NMR alapvető alkalmazásai

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

angie
Download Presentation

Az FT-NMR alapvető alkalmazásai

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  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 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

  3. 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 bizonyításaR.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

  4. z y x 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

  5. Na-Nb z y x 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

  6. z z y y x x A két legfontosabb impulzus 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 z xy 1,00 1,00 M M 0,80 0,80 0,60 0,60 0,40 0,40 0,20 0,20 Mxy 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. 0,1Hz -0,1Hz -0,1Hz 0,1Hz 0,1Hz -0,1Hz A Fourier-transzformált Quadrature detection

  11. 2,00 1,60 1,20 Mxy T2 0,80 T*2 0,40 0,00 0,0 4,0 8,0 12,0 t/s Az inhomogenitás hatása z Mxy(t) – e-t/T*2 és T2>T*2 Mxy – max. B=Bo+δB B=Bo-δB y 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. z y x T2 mérése – a πx-impulzus M1 – v1 M2 – v2 v2 > v1 πx

  14. π/2x πx t2 FFT z z z z z vL y y y y y x x x x x 1,00 0,80 változó τ-val ismételve Intenzitás 0,60 0,40 0,20 0,00 2τ/min 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 T2 mérése – a Carr-Purcell szekvencia τ τ

  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. πx π/2 t2 FFT z z z z vL y y y y x x x x 1,00 0,80 változó τ-val ismételve Intenzitás 0,60 0,40 0,20 0,00 τ/min 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 T1 mérése τ

  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. 3/2δ β β β β Telítés S-en! N N S S I I 1/2δ βα βα N + δ Wo N + δ αβ N+ 3/2 δ N+ 3/2 δ αβ N + δ N + δ N+1/2 δ N+1/2 δ 1/2δ W2 I I S S 3/2δ N + 2δ N + 2δ αα αα A X A X Nuclear Overhauser Effect Ha a rendszer a nem sugárzásosátmeneteken keresztül relaxá-lódik, akkor igen! A különbségmindenütt δ Az I szerinti relaxációhajtóereje 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 térbenközel lévő, de csatolás-ban nem lévő magokfelderíthetők! 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. 1H 13C β β β β N-ΔNH-ΔNC N+ΔNH-ΔNC C2 C2 6ΔNC βα βα H1 H1 N-ΔNH+ΔNC N-ΔNH+ΔNC π-imp. az H1-n! αβ αβ H2 H2 N+ΔNH-ΔNC N-ΔNH-ΔNC -10ΔNC N+ΔNH+ΔNC N+ΔNH+ΔNC αα αα C1 C1 1H 13C Polarisation Transfer Boltzmann-eloszlás: ΔNH = 4ΔNC 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. πx πx π/2x Θx π/2x 1H τ τ τ 13C FID A DEPT szekvencia A kísérlet célja, hogy segítse meghatározni a 13C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. Distortionless Enchanced by Polarisation Transfer 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. πx π/2x változhat 1H FID 13C τ τ Az APT szekvencia A kísérlet segítségével meg lehet határozni a 13C-NMR színképben található sávokhoz tartozó szénatomok rendjét. Attached Proton Test Aτ = (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. πx π/2 t2 Pulzussorozatok általában τ A vizsgálandó folyamat érvényesülése, kifejlődése. Tartalmazhat pulzusokat, folyamatos besugárzásokat. Hossza változhat, amiből a t1–tengely származik a 2D-NMR-alkalmazásokban. Detection Detektálás Kifejlesztés Preparation Előkészítés Evolution 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. π/2x π/2x t1 t2 FFT z z z z vL 2,00 y y y y 1,50 1,00 x x x x Intenzitás 0,50 0,00 vL 0 2 4 6 8 10 12 14 t1/s -0,50 -1,00 Chemical Shift COrrelation SpectroscopY Homonukleáris spinkorrelációs spektroszkópia – a magok közti J-csatolások kimutatására FFT

  30. π/2x π/2x t1 t2 FFT z z z z z z z z y y y y y y y y va vb x x x x x x x x Homonukleáris-COSY Két spin, csatolás nélkül. va=0,1 Hz, va=0,25Hz, T1=12s, T2=8s

  31. 1,50 va 1,00 0,50 1,50 0,00 1,00 0,50 FFT 0,00 vb 0,0 0,0 4,0 4,0 8,0 8,0 12,0 12,0 Homonukleáris-COSY Két spin, csatolás nélkül. Intenzitás ν1/Hz νa νb v2/s νa νb ν2/Hz

  32. π/2x π/2x t1 t2 FFT z z z z z z z z J J y y y y y y y y x x x x x x x x va vb Homonukleáris-COSY Két csatolt spin, csatolás va=0,1 Hz, va=0,25Hz, J=0,1Hz T1=12s, T2=8s

  33. 1,50 1,00 0,50 FFT 0,00 0,0 4,0 8,0 12,0 Homonukleáris-COSY Két csatolt spin v2/Hz

  34. Correlation squarekorrelációs négyzet J J J J A korrelációs felület ν1/Hz νa νb νa Cross-peaks – kereszt csúcsok Auto-peaks – átlós csúcsok Axial-peaks – tengely csúcsok νb ν2/Hz

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

  36. t2 πx π/2x J J J - Spektroszkópiák Homonukleáris J-Spektroszkópia t1 t1 1H J/Hz A2X3 δA δX δ/ppm

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

  38. NMR inhomogén térben 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, 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.

  42. Irodalom • Honlapok: • http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/nmr/nmr1.htm#nmr1 • http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm • http://www.chemie.uni-hamburg.de/nmr/insensitive/tutorial/tutorial.html • http://www.files.chem.vt.edu/chem-dept/hbell/simulation/hb2/TESTPAGE.htm • http://www.spincore.com/nmrinfo/software_s.html • http://www.effemm2.de/spekwin/index_en.html

More Related