Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai

1. Rádióhullámok, mágnesek, molekulák:az NMR alkalmazásai Dombi György

2. NMR 1. Mágneses Nuclear 2. Magrezonancia Magnetic 3. Spektroszkópia Resonance 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

3. Spektroszkópia (Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín) Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása Frauenhofer (1814.) 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

4. Adszorpció Emisszió 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. Az energiakülönbségek következménye mágneses tér jelenlétében E2 E E1 UV IR Micro NMR 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

13. 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

14. Larmor precesszió Spin (impulzusmomentum) és a mágneses tér (forgatónyomaték) miatt pörgettyű-szerű mozgás. z w0 B0 m y x 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. FT F(w) f(t) 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

20. 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

21. Fizika  Kémia 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. Makromolekulákspektruma:átfedő jelek 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

27. Több dimenziós spektrum: szétválnak a jelek Humán UBIQUITIN 1H spektruma és térszerkezete 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

28. 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

29. Mágneses rezonancia leképezésMagnetic Resonance ImagingMRI Az atommag NMR frekvenciája térerősségfüggő: Adott jel frekvenciája  Adott magnál a térerősség  Gardiens  helykoordináta 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

30. MRI elve 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

31. Röntgensugárzás abszorpciója Rendszám négyzetgyökével ará-nyos az elnyelés: – szövetek (H, C, N, O) + csont (Ca), aranygyűrű 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

32. MRI képek 1H térbeli eloszlása – víz – szerves molekulák Elvileg bármely NMR aktív mag mérhető. Gyakorlatban még: 3He, 19F, 31P 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

33. Röntgen - MRI Röntgenfelvételen Ca (csont) eloszlás látszik MRI felvételen a lágy szövetek 3D struktúrája és állaga jól megfigyelhető 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

34. 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

35. További lehetőségek Relaxációk kihasználása Paramágneses „kontrasztanyagok” – Gd2+ Gyors felvételi technikák: mozgó kép Funkcionális MRI (kémiai eltolódás) 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

36. 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

37. 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

38. Szupravezető mágnesek 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

39. Mágnes szerkezete 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

40. 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

41. 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

42. 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

43. Nobel díjak (Fiziológia) Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (2003.) "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging" 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

44. 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

45. 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