R di hull mok m gnesek molekul k az nmr alkalmaz sai
Download
1 / 45

Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai - PowerPoint PPT Presentation


  • 67 Views
  • Uploaded on

Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai. Dombi György. NMR. 1. Mágneses N uclear 2. Magrezonancia M agnetic 3. Spektroszkópia R esonance. Spektroszkópia. (Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín) Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai' - kamal-wiggins


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
R di hull mok m gnesek molekul k az nmr alkalmaz sai

Rádióhullámok, mágnesek, molekulák:az NMR alkalmazásai

Dombi György


NMR

1. Mágneses Nuclear

2. Magrezonancia Magnetic

3. Spektroszkópia Resonance

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Spektroszk pia
Spektroszkópia

(Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín)

Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása

Frauenhofer (1814.)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Adszorpci emisszi
Adszorpció Emisszió

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M gneses magrezonancia t rt net 1
Mágneses magrezonanciaTörténet 1.

Pauli (1924.): Atommagoknak impulzus- és így mágneses momentumuk van.

Stern, Gerlach (1933.) Magspin hatása molekulasugárra (eltérítési kísérlet).

Gorter (1936.) Sikertelen kísérlet atom-magok mágneses térben való rezo-nanciájának detektálására.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M gneses magrezonancia t rt net 2
Mágneses magrezonanciaTörténet 2.

Zavoisky (1941.) Elektronspinrezonancia után sikertelen magrezonancia kísérlet

Rabi (1939.): Kísérleti igazolás: ionsugár mágneses térben egy oszcilláló mág-neses segédtérrel - rezonancia.

Bloch, Purcell (1945.): Első igazi spek-troszkópiai mérés (víz, paraffin 1H jele)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Magspin tulajdons gai
Magspin tulajdonságai

Atommag:

proton és neutron

Tulajdonság:

spin  mágneses momentum

Ellentétes spinek  eredő nullává válik!

Páros proton- és neutronszámú magok nem mérhetőek! (Izotóp számít!)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M rhet atommagok
Mérhető atommagok

1H, 2H, 3H, 3He, 4He, 12C, 13C, 14C, 14N, 15N 16O, 17O, 19F, 23Na, 31P, stb.

Érzékenység függ:

- Mágneses momentum nagysága

- Izotóp gyakorisága

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Kvant lt energiafelhasad s l trehoz sa
Kvantált energiafelhasadás létrehozása

A mágneses térben felhasadnak az energianívók.

A rezonancia frekvenciája a térerősség függvénye.

|b>

E

DE=konstans*B0

DE=għB0

B0

g – giromágneses

hányados [radian/sT]

|a>

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


NMR spektroszkópia

látható

gamma

röntgen

infravörös

rádiófrekvencia (rf)

UV

mikrohullám

800 MHz

100 MHz

Hullámhossz (m) 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104

Frekvencia (Hz) 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104

Energia (eV) 105 103 101 10-1 10-3 10-5 10-7 10-910-11

Elektromágneses frekvenciatartomány

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Energiaviszonyok
Energiaviszonyok

-Elektronspektroszkópia (UV és látható)

~100-780 nm 700 nm 4,3*1014 Hz

-Infravörös spektroszkópia

~12.300-30 cm-1 3000 cm-1 9,0*1013 Hz

-Mikrohullámú spektroszkópia

~30 cm-1 alatt 30 cm-1 9,9*1011 Hz

-NMR spektroszkópia

~MHz 500 MHz 5,0*108 Hz

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Az energiak l nbs gek k vetkezm nye
Az energiakülönbségek következménye

mágneses tér

jelenlétében

E2

E

E1

UV

IR

Micro

NMR

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Az atommag viselked se a m gneses t rben
Az atommag viselkedése a mágneses térben

Egyszerű kép:

iránytű (mágneses dipól) mágneses térben való beállása (stabil/metastabil állapot)

Leírja, hogy eredő z-irányú mágnesezettség keletkezik (mag paramágneses momentum)  H0 kikapcsolásával megszűnik:

Spin-rács vagy longitudinális relaxáció – T1

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Larmor precesszi
Larmor precesszió

Spin (impulzusmomentum) és a mágneses tér (forgatónyomaték) miatt

pörgettyű-szerű mozgás.

z

w0

B0

m

y

x

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Rezonancia bloch egyenlet
Rezonancia (Bloch-egyenlet)

Ha

– az elektromágneses sugárzás frekvenciája egyenlő a Larmor precesszió frekvenciájával, és

– a forgó mágneses vektor merőleges a külső mágneses térre,

akkor

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Rezonancia bloch egyenlet1
Rezonancia (Bloch-egyenlet)

A H0-ra merőleges síkban for-gó mágeses vektor a forgó koordinátarendszerben stati-kus: e körül is – egy kisebb frekvenciájú - Larmor precesz-szió jön létre  rezonancia

Sok mag esetén fáziskoheren-cia alakul ki: XY síkban mág-nesezettség jelenik meg:

 detektálás

 relaxáció (transzverzális, spin-spin, T2)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Spin mozg sa a m gneses t rben ll koordin tarendszerben
Spin mozgása a mágneses térben[Álló koordinátarendszerben]

– a mozgás „makroszkópikus”

– a mozgás leírása egyszerűbb Larmor frekvenciával forgó koordinátarendszerben

– az x-y síkú besugárzás időtar-tamától függően a mágneses vektor 90° - 180° - 270° - 360° stb. szögben fordítható

– a relaxációs idők másod-perces nagyságrendűek!

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Cw ft
CW – FT

CW: A mágneses tér vagy a besugárzó frekvencia folytonos változtatásával

FT: Rf impulzus – spin echo (visszhang) detektálása, majd az időfüggvény Fourier sorbafejtése

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


FT

F(w)

f(t)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Spektrum k miai szerkezetkutat s
SpektrumKémiai szerkezetkutatás

A jó spektrum feltétele:

– erős, homogén, időben állandó mágneses tér:

kis jelszélesség, nagy jelmagasság

– nagy jel/zaj viszony: jó elektronika, több mérés akkumulációja (N½)

– külső zajok csökkentése: mechanikai (rezgés) elektromos és mágneses zavarok kiküszöbölése

– minta ne legyen paramágneses (ionok, oxigén!)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Fizika k mia
Fizika  Kémia

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Spektrumot meghat roz t nyez k
Spektrumot meghatározó tényezők

Adott mag rezonancia frekvenciája kis-mértékben függ az elektronszerkezettől (árnyékolás), azaz a kémiai környezettől: kémiai eltolódás. ( 10-6)

Adott mag jele felhasad a szomszédos mágneses magoktól: csatolás. ( 10-8)

Rezonanciafolyamat időbeli lefolyásától: relaxáció.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


T bb rf pulzus alkalmaz sa
Több Rf pulzus alkalmazása

Az első Rf pulzust köve-tően változó t1 időpont-ban újabb pulzus (vagy pulzusok) következnek.

Minden egyes t1 idő-intervallumnál egy-egy spektrumot regisztrálunk.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


2d fourier transzform ci
2D Fourier transzformáció

Második időváltozó szerint is peridókus függvényt kapunk. E szerint is FT.

Két frekvencia di-menzió  konnek-tivitás meghatároz-hatóvá válik.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Codein spektruma
Codein spektruma

Az egyes 1H magok jelei egyszerűen hozzárendel-hetők:

H-5  H-3  H-10  OHH-10  H-9H-3  H-16H-16  H-11

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Makromolekul k spektruma tfed jelek
Makromolekulákspektruma:átfedő jelek

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


T bb dimenzi s spektrum sz tv lnak a jelek
Több dimenziós spektrum: szétválnak a jelek

Humán UBIQUITIN 1H spektruma és térszerkezete

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Nagyfelold s nmr spektroszk pia felt tele
Nagyfeloldású NMR Spektroszkópia feltétele

600-900 MHz mellett 0,3 Hz látható!

Stabilitás, homogenitás: 3 * 10-10

Megfelel annak, ha a Földről a Holdon a felszínt 1 cm-es pontossággal szeretnénk mérni! [Föld – Hold távol-ság 400 000 km = 4 * 1010 cm.]

Mi történik, ha elrontjuk a homogenitást?

A gradiensnek megfelelően széles jelek.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M gneses rezonancia lek pez s magnetic resonance imaging mri
Mágneses rezonancia leképezésMagnetic Resonance ImagingMRI

Az atommag NMR frekvenciája térerősségfüggő:

Adott jel frekvenciája

Adott magnál a térerősség

Gardiens  helykoordináta

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Mri elve
MRI elve

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


R ntgensug rz s abszorpci ja
Röntgensugárzás abszorpciója

Rendszám négyzetgyökével ará-nyos az elnyelés:

– szövetek (H, C, N, O)

+ csont (Ca), aranygyűrű

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Mri k pek
MRI képek

1H térbeli eloszlása

– víz

– szerves molekulák

Elvileg bármely NMR aktív mag mérhető. Gyakorlatban még:

3He, 19F, 31P

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


R ntgen mri
Röntgen - MRI

Röntgenfelvételen Ca (csont) eloszlás látszik

MRI felvételen a lágy szövetek 3D struktúrája és állaga jól megfigyelhető

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


T1 relax ci val sz rt k p
T1 relaxációval szűrt kép

A besugárzás és a de-tektálás között eltelt idő alatt:

– a kötött víz gyorsab-ban elveszti mágnese-zettségét,

– a szabad, sejt közötti víz relatív intenzívebb jelet adnak.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Tov bbi lehet s gek
További lehetőségek

Relaxációk kihasználása

Paramágneses „kontrasztanyagok” – Gd2+

Gyors felvételi technikák: mozgó kép

Funkcionális MRI (kémiai eltolódás)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


El ny h tr ny
Előny - hátrány

Előny:

Kis energiájú Rf sugárzás (max 200 MHz)

Lágy szöveti leképezés

Hátrány:

Mágneses tér (pace-maker, implantátum)

Klausztrofóbia

Drága (árnyékolás, He)

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Spektrom terek lland elektrom gnes
SpektrométerekÁllandó - elektromágnes

Az első kereskedelmi NMR készülék

H = 1,41 T,

ν = 60 MHz

Vízhűtéses mágnes

H = 2,1 T

ν = 100 MHz

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Szupravezet m gnesek
Szupravezető mágnesek

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M gnes szerkezete
Mágnes szerkezete

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


M rf ldk vek
Mérföldkövek

– atommag mágneses momentuma  fizika

– molekulaszerkezettől függő rezonancia frekvencia (térrel arányos) és felhasadás (tértől független) csatolási topológia  kémia szerkezetkutatás

– 100 MHz (2,35 T) felett szupravezető mágnes (22 T) és Rf pulzus – spin echo – FT méréstechnika: természetes előfor- dulású 13C, 15N, stb. magok mérhetősége

– többpulzus kísérletek: többdimenziós spektroszkópia  bio- lógiai makromolekulák szerkezetmeghatározása

– gradiens spektroszkópia, MRI, MR-mikroszkópia

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Nobel d jak fizika
Nobel díjak (Fizika)

Otto Stern (1943.)

"for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton"

Isidor Isaac Rabi (1944.)

"for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei"

Felix Bloch, Edward Mills Purcell (1952.)

"for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith"

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Nobel d jak k mia
Nobel díjak (Kémia)

Richard R. Ernst (1991.)

"for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy"

Kurt Wütrich (2002.)

"for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution"

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Nobel d jak fiziol gia
Nobel díjak (Fiziológia)

Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (2003.)

"for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Ennyit röviden egy 50 éves múltú „mesterségesen” létrehozott atommagi energia-felhasadáson alapuló inter-diszciplináris spektroszkópiai ágról, mely nemcsak a fizikát, de a kémiai szerkezetkutatást és az orvosi diagnosztikát is forradalmasította.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


Köszönöm fizika tanáraimnak azt, hogy megtanítottak arra a szemléletmódra, ami szükséges egy más tudományág területén a fizika alkalmazására.

Önöknek meg köszönöm szíves figyelmüket.

50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét


ad