Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Hasonló dokumentumok
Dóczy-Bodnár Andrea október 3. Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Magmágneses rezonancia. alapjai. Magmágneses rezonanciához kapcsolódó Nobel-díjak. γ N = = giromágneses hányados. v v

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

M N. a. Spin = saját impulzus momentum vektor: L L nagysága:

Mágneses módszerek a műszeres analitikában

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Mágneses rezonanciás képalkotás AZ MRI elve, fizikai alapok

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Times, október 9 MRI

Alkalmazott spektroszkópia Serra Bendegúz és Bányai István

Az NMR spektroszkópia a fehérjék szolgálatában. Bodor Andrea. ELTE Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium Visegrád

Medical Imaging Mágneses rezonancia (MR, MRI, NMR) x B. Makroszkopikus tárgyalás

MRI áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 3. ea ősz

Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia

Rádióspektroszkópiai módszerek

A nehézfémek növényi vízháztartásra gyakorolt hatásának vizsgálata Mágneses Rezonancia készülékkel. Készítette: Jakusch Pál Környezettudós

Az NMR képalkotás alapjai. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

NMR, MRI. Magnetic Resonance Imaging. Times, október 9 MRI

lásd: enantiotóp, diasztereotóp

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

24/04/ Röntgenabszorpciós CT

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

Sohár Pál Varázslat, amitől láthatóvá válnak és életre kelnek a molekulák: Az NMR spektroszkópia

Morfológiai képalkotó eljárások CT, MRI, PET

Mi mindenről tanúskodik a Me-OH néhány NMR spektruma

Alkalmazott spektroszkópia

4.A MÁGNESES REZONANCIA (MR) ORVOSI ALKALMAZÁSA

Fontos fogalmak. A pörgettyűmodell


Fizikai kémia 2. ZH V. kérdések I. félévtől

A fény és az anyag kölcsönhatása

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Emlékeztető Paramágneses anyagok

Az ultrahang orvosi alkalmazásai

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Elektronspin rezonancia

NMR spektroszkópia (Nuclear Magnetic Resonance) Mágneses (atom)magrezonancia Spektroszkópia

Az MR(I) módszer elve. Dr.Fidy Judit 2012 március 7

Az MR(I) módszer elve. Az MR(I) módszer. (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging mag (atommag) mágneses rezonancia alapu képalkotó módszer

Fizikai kémia Részecskék mágneses térben, ESR spektroszkópia. Részecskék mágneses térben. Részecskék mágneses térben

Spektroszkópiai módszerek 2.

A BioNMR spektroszkópia alapjai

palkotás alapjai Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

Az (N)MR(I) módszer elve

m ág n e ses momentum É T ö ltés elektro n vagy atommag

0) I=0 I=1/2 I=k (k=1,2,..) töltéssel forog (I=1/2)

Az NMR spektroszkópia alapjai Dr. Rohonczy János ELTE Szervetlen Kémiai Tanszék

Átmenetifém-komplexek ESR-spektrumának jellemzıi

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

A BioNMR spektroszkópia alapjai

CT/MRI képalkotás alapjai. Prof. Bogner Péter

I. Az NMR spektrométer

Készítette: NÁDOR JUDIT. Témavezető: Dr. HOMONNAY ZOLTÁN. ELTE TTK, Analitikai Kémia Tanszék 2010

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

A testek részecskéinek szerkezete

5.4. Elektronspektroszkópia

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

A különböző anyagok mágneses térrel is kölcsönhatásba lépnek, ugyanúgy, ahogy az elektromos térrel. Ez a kölcsönhatás szintén kétféle lehet.

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Drug design Képalkotó eljárások a gyógyszerkutatásban Dr. Kengyel András GK, SPECT, PET, fmri, UH, CT, MRI Doppler UH

Mágneses rezonancia képalkotás elektronspin nyomjelzővel

1D multipulzus NMR kísérletek

Mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiák

Fizikai kémia Mágneses magrezonancia spektroszkópia alapjai. Mágneses magrezonancia - NMR. Mágneses magrezonancia - NMR

ESR színképek értékelése és molekulaszerkezeti értelmezése

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROMETRIA

Vektorok, mátrixok, tenzorok, T (emlékeztető)

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

Mag-mágneses rezonancia

Biomolekuláris szerkezet és dinamika vizsgálata. Gerjesztés során elnyelt energia sorsa. Fluoreszcencia és különleges alkalmazásai

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Az elektromágneses hullámok

A MÁGNESES REZONANCIA LEKÉPEZÉS (MRI) HASZNÁLATA TERMÉNYEK HŐFIZIKAI VIZSGÁLATAINÁL KOVÁCS, A. J.

Mágneses magrezonancia-spektroszkópia (NMR) Szalontai Gábor: alapelvek nyolc órában

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Az NMR spektroszkópia alapjai

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

8. Elektronspin rezonancia

A magkémia alapjai. Magpotenciálok, magspin, mágneses momentumok & kölcsönhatások. Nagy Sándor ELTE, Kémiai Intézet

Biofizika és orvostechnika alapjai

Az anyagok kettős (részecske és hullám) természete

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Mágneses magrezonancia-spektroszkópia

WOLFGANG PAULI ÉS AZ ANYAGTUDOMÁNY KROÓ NORBERT MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA ÓBUDAI EGYETEM,

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Térjünk vissza a mágneses momentumok viselkedésének a leírásához, hogy megértsük a modern, Fourier-transzformációs NMR spektrométer működési elvének

Zéró Mágneses Tér Laboratórium építése Nagycenken

Átírás:

Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai Dóczy-Bodnár Andrea 2011. szeptember 28.

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"

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

(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

A biológiai rendszerek szempontjából fontos NMR magok MRI 1 0 1 0 1 0 Nincs párosítatlan nukleon 1 párosítatlan nukleon (proton vagy neutron) 2 párosítatlan nukleon (1 proton + 1 neutron)

NMR átmenet nem ionizáló sugárzás!!! C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-318.

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

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

C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-318.

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

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

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. 1999. 20: 185-318.

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

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. 1999. 20: 185-318.

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

Folyamatos üzemmódú NMR Impulzus NMR Sávszélesség ~ 1/T 2 C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-318.

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

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

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)

A spin-rács relaxációs idő mérése 90 -- 90 180 -- 90 Kiegészítő anyag

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

90 o - - 180 o Kiegészítő anyag

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

Az etanol NMR spektruma CH 3 OH CH 2 0.7 Tesla (Arnoled et al., 1951) 1.5 Tesla C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-318.

ref ref 6 10 TMS

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

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

14.1 Tesla, 600 MHz (nagy felbontású, analitikai NMR) 1.5 Tesla, 64 MHz (orvosi MRI készülék) C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-318.

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

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) 10-4 -10-2 s időtartomány redox folyamatok nyomonkövetése, stb.