Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Átírás

1 Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai Dóczy-Bodnár Andrea szeptember 28.

2 Magmágneses rezonanciához kapcsolódó Nobel-díjak * Otto Stern, USA: Nobel Prize in Physics 1943, "for his contribution to the development of molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton" * Isidor I. Rabi, USA: Nobel Prize in Physics 1944, "for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei" * Felix Bloch, USA and Edward M. Purcell, USA: Nobel Prize in Physics 1952, "for their discovery of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith" * Richard R. Ernst, Switzerland: Nobel Prize in Chemistry 1991, "for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy * Kurt Wüthrich, Switzerland: Nobel Prize in Chemistry 2002, "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" * Paul C. Lauterbur, USA and Peter Mansfield, United Kingdom: Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003, "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

3 Atommagok saját impulzusmomentuma (spin) protonok, neutronok (elektronhoz hasonlóan) saját impulzusmomentum (spin), pörgettyűmodell (szemléltetés!) egyedi, párosítatlan nukleonok I = ½ (feles spinű részecskék) atommag összetétel + atommag héjszerkezete határozza meg párban lévő részecskék spinje kiejti egymást spinnel arányos mágneses momentum (töltés + spin mágneses momentum; neutronnak is van mágneses momentuma kvarkok egyenlőtlen eloszlása!) 2 H (deutérium) I=1 S=1/2 4 He (hélium) I=0 S=0

4 (a) Spin (saját impulzus momentum vektor; ) I: spinkvantumszám, m I : mágneses spinkvantumszám (-I, -I+1,, I-1, I) I Z N m L I I L ) 1 ( (b) Saját mágneses momentum vektor ( ) I N N z N p N N N m g L m e g I I g 2 1) ( g N : g faktor (adott nukleonra, magra jellemző) 2 N p e m N N N N M g L giromágneses hányados magmagneton M N, L N

5 A biológiai rendszerek szempontjából fontos NMR magok MRI Nincs párosítatlan nukleon 1 párosítatlan nukleon (proton vagy neutron) 2 párosítatlan nukleon (1 proton + 1 neutron)

6 NMR átmenet nem ionizáló sugárzás!!! C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

7 Rádiófrekvenciás gerjesztés h B 0 B 0 h abszorpció Terület ~ magspinek száma NMR spektrumvonal rezonanciafrekvencia függ: mag típusa (γ N ) külső mágneses tér (B 0 + mágneses teret módosító tényezők) adott mag esetén (pl. 1 H) a külső mágneses tér határozza meg N B külső 2 külső mágneses teret módosíthatja: kémiai környezet NMR spektroszkópia mágneses tér változtatása a hely függvényében (gradiensek) MR képalkotás

8 Egyensúlyi (makroszkopikus) mágnesezettség B 0 N N E 2 e kt 1 M z termikus egyensúly a két állapot között folyamatos átmenetek zajlanak ( hőmozgás) állapotok betöltöttsége Boltzmann-eloszlás valamivel több spin az alsó energiaszinten (Boltzmann-felesleg) NMR jel makroszkopikus mágnesezettség (M Z ) B 0 (z-tengely) irányában (longitudinális mágnesezettség) mágneses momentumok xy komponensei véletlenszerűen oszlanak el nincs xy komponens (transzverzális mágnesezettség; M XY =0) M Z nagysága függ: két állapot betöltöttsége (T, B 0 ) spinek száma/koncentrációja

9 C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

10 Hogyan detektálhatjuk a rezonancia frekvenciát? Continous wave NMR állandó mágneses tér frekvenciát lassan változtatják állandó frekvencia mágneses tér változik abszorpció ( NMR jel) ahol a rezonancia feltétel teljesül számos hátrány (pl. nagyon időigényes) Fourier transzformációs vagy impulzus NMR rövid és intenzív RF impulzus után (és nem a gerjesztés közben!) detektálják a jelet (90 -os impulzus M XY!) a mintában jelenlévő összes frekvencia párhuzamosan gerjeszthető (impulzus sávszélessége!) szokásos spektrális paraméterek mellett (frekvencia, abszorpció) egyéb információk is nyerhetők makroszkopikus mágnesezettség viselkedését detektálják

11 Rádiófrekvenciás impulzus hatása a makroszkopikus mágnesezettségre A mintát véges ideig tartó, a rezonancia frekvenciának megfelelő RF impulzussal gerjesztjük átmenet a két állapot/energiaszint között makroszkopikus mágnesezettség (M Z ) kölcsönhatásba lép az RF tér mágneses komponensével (B1) kibillen egyensúlyi helyzetéből (B 1 körül, xy sík irányába) B0 z B0 z M z RF impulzus mágneses komponens xy síkban pulzál Θ M z y B1 y x egyedi spinek B 0 körül precesszálnak M Z állónak tekinthető ( iránya megegyezik a precesszió tengelyével) x precesszió B 0 körül + elfordulás xy sík irányába 2 B 1 B 1 : rádiófrekvenciás impulzus mágneses komponense (pulzáló mágneses mező) τ: az impulzus hossza Θ: az impulzus által létrehozott szögelfordulás

12 Rögzített vs. forgó koordinátarendszer Forgó rendszer bevezetése egyszerűsíti a folyamatok matematikai leírását, szemléltetését. általában több valamelyest eltérő rezonanciafrekvencia (kémiai környezet, mágneses tér gradiens) Rögzített koordinátarendszerben: spinek (így az eredő transzverzális mágnesezettségek) egy irányban precesszálnak Forgó rendszerben (z-tengely/b0 iránya körül): rendszer frekvenciájával precesszáló spinek stacionáriusak (első közelítésben ezekre koncentrálunk) alacsonyabb frekvencia hátramarad magasabb frekvencia előreszalad C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

13 90º impulzus hatása a makroszkopikus mágnesezettségre 90º-os Rf

14 Makroszkopikus mágnesezettség viselkedése a 90 -os impulzus után longitudinális mágnesezettség (M Z ) nullára csökken (két spinállapot azonos betöltöttsége) transzverzális mágnesezettség (M XY ) megjelenése ( spinek fázisba rendeződése) spin-rács relaxáció: M Z felépülése T 1 T 2 Biológiai szövetek: T 1 >>T 2 M Z M Zo t T 1 ( 1 e ) spin-spin relaxáció M XY eltűnése ( spinek fázisvesztése ) M XY M XYo e t T 2 M xy precessziója B 0 körül free induction decay (FID) NMR jel C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

15 FID jel kialakulása NMR spektrumhoz szükséges információ a FID-ben van FID f(t); spektrum F(ν) periódusidő Larmor vagy rezonanciafrekvencia amplitúdó M XY nagysága M Z nagysága relaxációs folyamatokat is figyelembe kell venni! lecsengés spin-spin relaxációs idő (T 2 ); mágneses tér inhomogenitás (T 2 *) FID jel konvertálása NMR spektrummá (Fourier-transzformáció) FT többféle rezonanciafrekvencia FID jelek szuperpozíciója spektrumhoz szükséges információk FT-val kinyerhetők idő- és frekvenciadomén közötti konverzió matematikai operáció számítógépet igényel

16 Folyamatos üzemmódú NMR Impulzus NMR Sávszélesség ~ 1/T 2 C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

17 Relaxációs folyamatok I. 1. Spin-rács (longitudinális) relaxáció (T 1 ) molekuláris mozgások szerepe energiacsere a spin és környezete ( rács ) között M Z egyensúlyi értékének kialakulása (minta mágneses térbe helyezésekor; M Z -t módosító RF impulzus után) Larmor frekvenciával változó mágneses tér (környező spinek mozgása generálja) mikro-nmr átmenet M Z felépülése 1/T 1 Larmor frekvencia előfordulási valószínűsége a molekuláris mozgások frekvencia eloszlásában (hőmérséklet, viszkozitás) Kiegészítő anyag

18 Relaxációs folyamatok II. 2. Spin-spin (transzverzális) relaxáció (T 2 ) spin-spin kölcsönhatás mágneses tér fluktuációja kissé eltérő precessziós frekvenciák ideiglenes, véletlenszerű megjelenése spinek fázisvesztése molekuláris mozgások szerepe M XY eltűnése lassú molekuláris mozgások eltérő frekvencia tovább megmarad rövidebb T 2 (gyorsabb fázisvesztés) gyors mozgások gyorsabb kiegyenlítődés hosszabb T 2 molekuláris mozgások frekvenciája Larmor frekvencia spin-spin relaxáció mágneses tér inhomogenitása gyorsabb fázisvesztés (T 2 *) (eltérő precesziós frekvenciák állandó jelenléte) kiküszöbölés: spin-echo szekvencia Kiegészítő anyag

19 Relaxációs folyamatok III. NMR jel szélessége 1/T 2 (1/T 2 *) a relaxációs folyamatok meghatározó szerepet játszanak a mágneses rezonanciás vizsgálatok tervezésében detektálás (T 2 -n, ill. T 2 *-on keresztül) szekvencia ismétlés (T 1 -en keresztül) időzítése jel nagyságot befolyásolja relaxációs technikák lehetőség a rendszer dinamikus sajátságainak vizsgálatára T 1, T 2 mérése (kiegészítő anyag)

20 A spin-rács relaxációs idő mérése Kiegészítő anyag

21 A Hahn féle spin-echo (spin-visszhang) impulzus szekvencia (T 2 detektálása, inhomogenitás kiküszöbölése) mágneses tér inhomogenitás elvileg azonos spinek eltérő frekvenciája gyorsabb fázisvesztés visszafordítható (állandó különbséget okoz) 90 várakozási idő 180 várakozási idő ekhó/detektálás Kiegészítő anyag

22 90 o o Kiegészítő anyag

23 Nagy feloldású (high resolution) NMR Kémiai árnyékolás (σ) B B0 (1 ) (elektronfelhő által a mag helyén létrehozott mágneses mező, molekulán belül változik a kémiai környezettől függően) Kémiai eltolódás (δ) (referenciaanyaghoz képest) ref ref 6 10 (ppm) Spin-spin csatolás (J, csatolási állandó) spektrum finomszerkezete Biológiai NMR: kémiai módszerek (jelölés) és bonyolult impulzusszekvenciák kombinációja ( több-dimenziós NMR) biológiailag fontos (makro)molekulák (fehérjék, nukleinsavak) szerkezetének (3D) vizsgálata

24 Az etanol NMR spektruma CH 3 OH CH Tesla (Arnoled et al., 1951) 1.5 Tesla C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

25 ref ref 6 10 TMS

26 Nagyfelbontású NMR spektrumok jellemző paraméterei spektrumvonalak száma hányféle kémiai környezetben van jelen az adott atommag (pl. H 1 ) a molekulában spektrumvonalak helyzete: kémiai eltolódás kémiai környezet, elektronszerkezet spektrumvonalak felhasadása: multiplicitás, csatolási állandó (J, Hz) atomi szomszédságok, kötésviszonyok általában 3 kötésig érzékelhető (egy-kötéses csatolás a legerősebb) relatív terület (integrál) abszorbeáló atommagok relatív mennyisége összegképlet ismeretében tényleges számuk meghatározható félértékszélesség Pl. etanol spektruma

27 Fehérje 1D H 1 -NMR spektruma A molekula méretének növelésével egyre kevésbé feloldható az 1D spektrum többdimenziós NMR technikák (homo- és heteronukleáris) Kiegészítő anyag

28 14.1 Tesla, 600 MHz (nagy felbontású, analitikai NMR) 1.5 Tesla, 64 MHz (orvosi MRI készülék) C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

29 Elektronspin rezonancia (ESR) E B g e B 0 B e/ 2m e párosítatlan elektron (pl. szabadgyök, O 2 molekula, stb.) ( elektron paramágneses rezonanciának (EPR) is nevezik) azonos mágneses térerősségnél három nagyságrenddel magasabb energiakülönbség, mint NMR esetén nagyobb érzékenység, mikrohullámos gerjesztés

30 Derivált spektrumot használnak! A CH3 gyök ESR spektruma finomszerkezet elektron-elektron csatolás (egynél több párosítatlan elektron) hiperfinomszerkezet elektron-mag csatolás molekuláris mozgások vizsgálata (pl. rotációs diffúzió) s időtartomány redox folyamatok nyomonkövetése, stb.