MÁGNESES MAGREZONANIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN 1) A jelenség 2) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 3) Magnetic Resonance Imaging (MRI) 4) Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS)
NMR és Nobel díj 1952 Fizika Módszer és elméleti alapok Felix Bloch Edward Mills Purcell 1991 Kémia Nagy felbontású NMR spektroszkópia Fourier transzformáció, 2D technika Richard Ernst 2002 Kémia Biológiai makromolekulák 3D szerkezete Kurt Wüthrich 2003 Orvosi MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedezése Paul. Lauterbur Sir Peter Mansfield
Atommagok mágneses tulajdonságai spin Mag Proton Kvark fel Kvark fel Kvark le Töltések: Kvark fel : +2/3 Kvark le : -1/3 1/2 1/2 Neutron Kvark fel Kvark le Kvark le Proton : +1 Neutron : 0 1/2 1/2 Spin: saját, belső impulzusmomentum (perdület megtévesztő, mert azt sugallja, hogy a részecske saját tengelye körüli forgásából adódik) A protonok és neutronok a legalacsonyabb energiaszintű pályákat igyekeznek elfoglalni (ebben az elektronokkal megegyeznek), és az ellentétes spinűek igyekeznek párosítódni (ebben az elektronoktól eltérnek).
A protonok és neutronok saját impulzusmomentumának következménye az atommag saját impulzusmomentuma (spinje), ennek nagysága kvantált. Spinimpulzus-momentum nagysága I I(I1) h 2 I: a mag spinkvantumszáma, függ a magban lévő protonok és neutronok számának típusától Mag Protonszám Neutronszám I Példa páros páros 0 12, 16 O páratlan páratlan 1 (2,3..) 14 N NMR inaktív magok Az egyik páros, a másik páratlan.,5 1, 13, 19 F, 31 P 23 Na (1,5) 17 O (2,5) NMR aktív magok
A spinimpulzus momentum vektormennyiség: iránya és nagysága is kvantált. Egy I spinű mag I impulzusmomentumának (vektor félkövér!) egy tetszőlegesen választott (pl. a z) tengelyre nézve 2I+1 számú merőleges vetülete van. Azaz, I z komponense, I z kvantált: I z m m: a mag mágneses kvantumszáma, melynek értéke lehet: -I, -I+1,, I-1, I 0.5 0.5 0 cos 1 I I z m I(I 1) (I 0.5) : 54.7 I m I I(I 1) I=0,5 I=1 A mag mágneses momentuma, m szintén vektormennyiség arányos I-vel. A g arányossági tényezőt giromágneses (csavarómágneses) hányadosnak nevezzük. m = g I
Egyes izotópok mágneses magrezonanciás tulajdonságai Izotóp I Természetes előfordulás % m magmagneton g x10 8 radian/ Tesla sec NMR frekvencia [Mz] 4,7 Tesla térerőnél Kémiai eltolódás tartomány [ppm] Relatív érzékenység Egyenlő számú magra Természetes izotóp-arány mellett 1 1/2 99,9844 2,7927 2,6751 200 10 1,000 1,000 2 1 0,0156 0,8574 0,4107 30,7 10 9,65 10-3 1,45 10-6 11 B 3/2 81,17 2,6880 0,8583 64,2 250 0,165 0,133 13 1/2 1,108 0,7022 0,6726 50,3 250 1,59 10-2 1, 76 10-4 14 N 1 99,635 0,4036-0,1933 14,4 900 1,01 10-3 1,00 10-3 15 N 1/2 0,365-0,2830-0,2711 20,3 900 1,04 10-3 3,85 10-6 17 O 5/2 0,037-1,8930-0,3627 27,1 700 0,0291 1,08 10-5 19 F 1/2 100 2,6273 2,5167 188 800 0,833 0,833 23 Na 3/2 100 2,2161 0,7076 53 0,095 0,095 29 Si 1/2 4,70-0,5548-0,5316 39,7 400 7,84 10-3 3,68 10-4 31 P 1/2 100 1,1305 1,0829 81 700 0,0663 0,0663 35 l 3/2 75,53 0,8209 0,2621 19,6 7,70 10-3 3,55 10-3
Precesszió: az NMR spektroszkópiában a külső mágneses térbe helyezett NMR aktív magok mágneses momentumának vektora egy kúppalást mentén forog, ez a forgás a Larmor precesszió B 0 precesszió B 0 z x 0.5 eredő mágnesezettség z x y 0.5 a különböző fázisú spinek egyenletes eloszlása a precesszió szöge q I=0,5 M z M XY B 0 >>>>M z (mérhetetlen) y 0 0
Mágneses energiaszintek B 0 E E mzb0 mgb 0 Példa: I=1/2 1 b antiparallel 13 b m= -1/2 E=0,5għB 0 13 a m= +1/2 E=-0,5għB 0 1 a parallel B 0 E= għb 0 N N a b e E kt pl.: B 0 = 11,74 Tesla (500 Mz) 1 (500 Mz) N totál = 2 000 000 N a = 1 000 016 N b = 999 984
A precesszió frekvenciája: g B 1 2 radián ertz sec Larmor frekvencia = f (g, B 0 ) g B 0 0 Larmor frekvencia: egy adott NMR magra jellemző precessziós mozgás frekvenciája A rezonancia (a spinek parallel állapotból antiparallel állapotba jutnak): a besugárzás frekvenciája egyezzen meg a Larmor frekvenciával. Rezonancia frekvencia: E = h = għb 0 1 g B0 2 W NMR (continuous wave, -t (B 0 -t) fokozatosan változtatják, pásztázzák) PFT NMR (pulse Fourier transformation, az összes átmenetet egyszerre gerjesztik egy rövid pulzussal)
g-sugarak 22 10 Az elektromágneses spektrum röntgensugarak 20 10 18 10 Mössbauer 600 500 400 1 ultraibolya látható infravörös 16 10 14 10 elektrongerjesztési rezgési 300 200 19 F 31 P mikrohullámú 12 10 100 13 rádiófrekvenciás 10 10 8 10 6 10 forgási NMR /Mz /z
z Az NMR kísérlet z B 0 x B 0 x y y B 1 M z eredő mágnesezettség rezonancia fázis-koherencia (kötegelődés) M y eredő mágnesezettség B 0 >>>> B 1
Az eredő mágnesezettség megváltozása B 0 B 1 Rezonancia: M z 0, M y alakul ki Relaxáció: M z visszaépül, M y 0
FT FID: free induction decay szabad indukciós lecsengés FID:Az NMR készülék mérőfejében az NMR aktív magok gerjesztését követően mérhető szinuszoid, oszcilláló, exponenciálisan lecsengő elektromos jel. FT FT B 1 Idő Frekvencia
mintacső forgó légpárna korrekciós tekercs szupravezető mágnes adó tekercs vevő tekercs
vákuum folyékony N 2 -kamra (-70 ) vákuum folyékony e-kamra (-269 ) szupravezető tekercs
900 Mz 3500 e USD 600 Mz 750 e USD 200 Mz 250 e USD
A rezonancia frekvencia függ: - a mag fajtájától - a mag kémiai környezetétől Mágneses térerő egy adott mag környezetében: B 0 0 0 (1 helyi B B B ) : árnyékolási tényező 1 g 2 Bhelyi Kémiai eltolódás 3 3 Si 3 3 1729,6 z 502,4 z 6,136 ppm 4324 z 1256 z 6,136 ppm megfigyelt spektrométer TMS 20010 6 z 50010 6 z 6 10 O 2 2 2 O 2 ppm, dimenzió nélküli 3 3 O 3 TMS dioxán tercier-butanol 0,00 ppm 2,50 ppm 1,24 ppm
Legfontosabb NMR jellemzők: 1) Kémiai eltolódás 2) Spin-spin csatolás (csatolási állandók, multiplicitás) 3) Intenzitás/terület 4) Relaxációs idő 1) Kémiai eltolódás A kémiai eltolódás az NMR spektroszkópiában az adott kémiai környezetű magra jellemző, a rezonanciafrekvenciából származtatott számadat, mely a mag környezetében lévő elektronfelhő árnyékoló hatásától függ. Értékét ppm-ben adják meg, ami egy dimenzió nélküli mennyiség. (összefüggés előző diáról) N DO 1 NMR: 10 ppm 13 NMR: 250 ppm 19 F NMR: 800 ppm 31 P NMR: 700 ppm 2 3 TMS 10 8 6 4 2 0 ppm Magasabb helyi tér Magasabb frekvencia Kiseb b árnyékolás Alacsonyabb elektronsűrűség
A p változtatás hatása a kémiai eltolódásra savas karakterű molekulák esetén Ecetsav 1 NMR titrálása L L 8 7 6 5 4 p az 1 kémiai eltolódást meghatározó egyik fő faktor a helyi elektronsűrűség a savi disszociáció növeli az elektronsűrűséget a savi csoport környezetében a szomszédos szénhez kapcsolódó protonok NMR jele alacsonyabb ppm felé tolódik 2.20 2.15 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1 chemical shift (ppm) 3 2 1 köztes p értékeknél a savi és bázikus forma kiátlagolt jele látható mért L x L L x L
Ecetsav NMR-p titrálási görbéje 2.2 mért 2.1 L (ppm ) 2.0 1.9 pk a 4.64 L - 1.8 1 2 3 4 5 6 7 8 p pk a p log mért L L mért
2) Spin-spin csatolás: aktív magok közötti kölcsönhatás, ami jelfelhasadást okoz (multiplicitás) satolás: 1) direkt (D, dipoláris), téren keresztüli (szilárd fázisú NMR-ben) 2) indirekt (J, skaláris, független B 0 -tól), kötő elektronokon keresztüli csatolási állandók 3 J 2 (vicinális) J (geminális ) A 3-kötéses csatolási állandók fontos jelzői a konformációnak Összefüggés a diéderes szög és 3 J csatolási állandók között (Karplus) q z 3 J (ertz) 1 J transz q mágnesesen ekvivalens magok: azonos kémiai eltolódással és csatolási állandókkal (kémiailag ekvivalens magoknál a csatolási állandók eltérőek) multiplicitás 2 n : nem ekvivalens magok (három kötésen belül) (a csúcsok száma) n+1: ekvivalens magok (három kötésen belül)
Multiplicitás egyenértékű szomszédokkal Az NMR csúcs: Lorentz görbe a) F Nincs szomszédos mag: szingulet b) F Egy szomszédos mag: dublet 1:1 c) d) B B F F A A Két szomszédos mag: A a a b b B a b a b triplet árom szomszédos mag: kvartet A B a a a a a b a b a b a a a b b b a b b b a b b b n+1 1:2:1 1:3:3:1 Intenzitások: Binomiális együtthatók (összegük 2 n ) Egy spin energiája függ a szomszédos spinek orientációjától
Multiplicitás nem-ekvivalens szomszédos magok esetén: ABX spinrendszer ppm 3 O N A X S OO B N-acetilcisztein x A B 3 J AX 3 J AX 3 J BX 3 J BX 3 J BX 2 J AB 2 J AB 2 J AB 2 J AB ppm Ez elsőrendű (Δ AB /J AB > 7) spektrumokra igaz, a másodrendű spektrumok bonyolultabbak (háztető effektus, a csúcsok összeolvadása) B o legyen nagy
1 -NMR spektrum: N-acetilcisztein D 2 O-ban pd~12 500 Mz 3 O N a x OO b S d-d t-but 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2
1.0 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 3.0 3.0 3.5 3.5 4.0 4.0 4.5 4.5 5.0 5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 5h 1h 1h 3h 3h DO Terc-butanol Efedrin-hidroklorid D 2 O-ban (360 Mz) O N 3 3 A B D 2 D + 5.090 5.090 5.100 5.100 5.110 5.110 5.120 5.120 5.130 5.130 5.140 5.140 5.150 5.150 5.160 5.160 5.170 5.170 3.45 3.45 3.50 3.50 3.55 3.55 3.60 3.60 1.04 1.04 1.06 1.06 1.08 1.08 1.10 1.10 1.12 1.12 1.14 1.14 1.16 1.16 1.18 1.18 3) Intenzitás/terület
4) Relaxációs idő: E 2 b 90 x B 0 E1 a z x z x z x z x 90 x y y y y gerjesztés relaxáció Relaxáció az NMR spektroszkópiában: az a folyamat, melynek során a gerjesztett magok a felvett energiát leadják más magoknak (spin-spin relaxáció) vagy a környezetüknek (spinrács relaxáció) 1,2 1 M 1 z t 0,8 T2 0,8 M 0,6 xy Mt Mxymaxe T 0,6 1 0,4 0,2 spin-rács M z M 0 0 1 2 3 4 5 l M A populáció különbség visszaáll zmax M idő zmax e 1,2 M xy 0,4 0,2 0 spin-spin idő 0 1 2 3 4 5 6 A fázis-koherencia megszűnik t
A térerő hatása a spektrumra c a OO 1,88 Tesla b d OOMe ertzben a skála ~3-szorosára növekedett, a vonalszélesség ppm-ben 1/3-ára csökkent. 5,87 Tesla c a OO b d OOMe
ertz = f(b 0 ) J ertz = f(b 0 ) Me O 18 Me 19 O 1-dehidrotesztoszteron
Érzékenység növelés spektrum akkumulációval Jel/zaj 1.5 1. 5 S/N ~ ncg g B exc det 0
Mag Overhauser hatás (NOE - Nuclear Overhauser effect) NOE: az I spin intenzitásának megváltozása, ha az S spint telítésbe visszük. Mágneses dipólusok relaxációján alapul, a molekulák rotációs mozgása révén Két térközeli mag J (kötéseken keresztüli) csatolás nélkül besugárzás telítés S telítése, I nagysága nő vagy csökken a) b)
I I I 0 0 molekulatömeg 1000 gyors bukfencezés lassú bukfencezés A molekulák átfordulási sebességét befolyásolja a) őmérséklet b) Oldószer (viszkozitás) A NOe arányos r -6 -nal 5 Å távolságon belül érvényesül A NOe és annak 2D változata a fő eszközök a a) 3D konformáció b) atóanyag-receptor kölcsönhatás meghatározására.