MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN 1) A jelenség 2) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 3) Magnetic Resonance Imaging (MRI) 4) Magnetic Resonance Spectroscop (MRS)
NMR és Nobel díj 1952 Fiika Módser és elméleti alapok Feli Bloch Edward Mills Purcell 1991 Kémia Nag felbontású NMR spektroskópia Fourier transformáció, 2D technika Richard Ernst 2002 Kémia Biológiai makromolekulák 3D serkeete Kurt Wüthrich 2003 Orvosi MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedeése Paul C. 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 impulusmomentum (perdület megtévestő, mert at sugallja, hog a résecske saját tengele körüli forgásából adódik) A protonok és neutronok a legalacsonabb energiasintű pálákat igekenek elfoglalni (ebben a elektronokkal megegenek), és a ellentétes spinűek igekenek párosítódni (ebben a elektronoktól eltérnek).
A protonok és neutronok saját impulusmomentumának követkeméne a atommag saját impulusmomentuma (spinje), ennek nagsága kvantált. Spinimpulus-momentum nagsága I = I(I + 1) h h = h 2π I: a mag spinkvantumsáma, függ a magban lévő protonok és neutronok sámának típusától Protonsám Mag Neutronsám I Példa páros páratlan páros páratlan 0 1 12 C, 16 O 14 N NMR inaktív magok (2,3..) A egik páros, a másik páratlan.,5 1, 13 C, 19 F, 31 P NMR aktív magok 23 Na (1,5) 17 O (2,5)
A spinimpulus momentum vektormenniség: irána és nagsága is kvantált. Eg I spinű mag I impulusmomentumának (vektor félkövér!) eg tetsőlegesen válastott (pl. a ) tengelre néve 2I+1 sámú merőleges vetülete van. Aa, I komponense, I kvantált: I = mh m: a mag mágneses kvantumsáma, melnek értéke lehet: -I, -I+1,, I-1, I + 0.5h Θ +h 0 Θ cosθ = I I = m I h I(I + 1) h = m I I(I + 1) 0.5h h 1 (I = 0.5) : Θ = 54.7 o I=0,5 I=1 A mag mágneses momentuma, µ sintén vektormenniség arános I-vel. A γ aránossági téneőt giromágneses (csavarómágneses) hánadosnak neveük. µ = γ I
Eges iotópok mágneses magreonanciás tulajdonságai Iotóp I Termésetes előfordulás % µ magmagneton γ radian/ Tesla sec NMR frekvencia [M] 4,7 Tesla térerőnél Kémiai eltolódás tartomán [ppm] Relatív érékenség Egenlő sámú magra Termésetes iotóp-arán 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 C 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 Cl 3/2 75,53 0,8209 0,2621 19,6 7,70 10-3 3,55 10-3
Precessió: a NMR spektroskópiában a külső mágneses térbe heleett NMR aktív magok mágneses momentumának vektora eg kúppalást mentén forog, e a forgás a Larmor precessió B 0 precessió B 0 + 0.5h Θ eredő mágneseettség 0.5h a különböő fáisú spinek egenletes eloslása a precessió söge θ I=0,5 M M XY B 0 >>>>M (mérhetetlen) > 0 = 0
Mágneses energiasintek E = µ B 0 = m γ h B 0 Példa: I=1/2 B 0 E 1 β antiparallel 13 C β m= -1/2 E=0,5γħB 0 13 C α m= +1/2 E=-0,5γħB 0 1 α parallel B 0 E= γħb 0 N N α β = e E kt pl.: B 0 = 11,74 Tesla (500 M) 1 (500 M) N totál = 2 000 000 N α = 1 000 016 N β = 999 984
A precessió frekvenciája: 1 ω = γ B 2π radián ert sec Larmor frekvencia = f (γ, B 0 ) 0 ν = γ B0 Larmor frekvencia: eg adott NMR magra jellemő precessiós mogás frekvenciája A reonancia (a spinek parallel állapotból antiparallel állapotba jutnak): a besugárás frekvenciája egeen meg a Larmor frekvenciával. Reonancia frekvencia: E = hν = γħb 0 1 ν = γ B0 2π CW NMR (continuous wave, ν-t (B 0 -t) fokoatosan váltotatják, pástáák) PFT NMR (pulse Fourier transformation, a össes átmenetet egserre gerjestik eg rövid pulussal)
γ-sugarak 22 10 A elektromágneses spektrum röntgensugarak 20 10 18 10 Mössbauer 600 500 400 1 ultraibola látható infravörös 16 10 14 10 elektrongerjestési regési 300 200 19 F 31 P mikrohullámú 12 10 100 13 C rádiófrekvenciás 10 10 8 10 6 10 forgási NMR ν/m ν/
A NMR kísérlet B 0 B 0 B 1 M eredő mágneseettség reonancia fáis-koherencia (kötegelődés) M eredő mágneseettség B 0 >>>> B 1
A eredő mágneseettség megváltoása B 0 B 1 Reonancia: M 0, M alakul ki Relaáció: M vissaépül, M 0
FT FID: free induction deca sabad indukciós lecsengés FID:A NMR késülék mérőfejében a NMR aktív magok gerjestését követően mérhető sinusoid, oscilláló, eponenciálisan lecsengő elektromos jel. FT FT B 1 Idő Frekvencia
korrekciós tekercs forgó légpárna
vákuum folékon N 2 -kamra (-70 C) vákuum folékon e-kamra (-269 C) supraveető tekercs
900 M 3500 e USD 600 M 750 e USD 200 M 250 e USD
A reonancia frekvencia függ: - a mag fajtájától - a mag kémiai körneetétől Mágneses térerő eg adott mag körneetében: B = B σb0 = B0 (1 heli σ : árnékolási téneő 0 σ ) 1 ν = γ 2π Bheli Kémiai eltolódás C 3 ν δ = C 3 Si C3 C 3 1729,6 502,4 6,136 ppm 4324 1256 6,136 ppm megfigelt ν ν spektrométer 200 10 6 500 10 6 TMS 6 10 O 2 C C 2 2 C O C 2 ppm, dimenió nélküli 3 C C C 3 O C 3 TMS dioán tercier-butanol 0,00 ppm 2,50 ppm 1,24 ppm
Legfontosabb NMR jellemők: 1) Kémiai eltolódás 2) Spin-spin csatolás (csatolási állandók, multiplicitás) 3) Intenitás/terület 4) Relaációs idő 1) Kémiai eltolódás A kémiai eltolódás a NMR spektroskópiában a adott kémiai körneetű magra jellemő sámadat, mel a mag körneetében lévő elektronfelhő árnékoló hatásától függ. Értékét ppm-ben adják meg, ami eg dimenió nélküli menniség. (össefüggés előő diáról) N DO 1 NMR: 10 ppm 13 C NMR: 250 ppm 19 F NMR: 800 ppm 31 P NMR: 700 ppm C 2 C 3 TMS 10 8 6 4 2 0 ppm C Magasabb heli tér Magasabb frekvencia Kiseb b árnékolás Alacsonabb elektronsűrűség
A p váltotatás hatása a kémiai eltolódásra savas karakterű molekulák esetén Ecetsav 1 NMR titrálása δ L δ L 8 7 6 5 4 p a 1 kémiai eltolódást meghatároó egik fő faktor a heli elektronsűrűség a savi dissociáció növeli a elektronsűrűséget a savi csoport körneetében a somsédos sénhe kapcsolódó protonok NMR jele alacsonabb 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 δ kötes p értékeknél a savi és báikus forma kiátlagolt jele látható mért = δ L L + δ L L
Ecetsav NMR-p titrálási görbéje 2.2 mért δ 2.1 L (ppm) 2.0 1.9 pk a = 4.64 L - 1.8 1 2 3 4 5 6 7 8 p p = pk a + δ log δ mért L δ δ L mért
2) Spin-spin csatolás: aktív magok köötti kölcsönhatás, ami jelfelhasadást oko (multiplicitás) Csatolás: 1) direkt (D, dipoláris), téren kerestüli (silárd fáisú NMR-ben) 2) indirekt (J, skaláris, független B 0 -tól), kötő elektronokon kerestüli csatolási állandók 3 J 2 (vicinális) J C (geminális ) A 3-kötéses csatolási állandók fontos jelői a konformációnak Össefüggés a diéderes sög és 3 J csatolási állandók köött (Karplus) θ C C 3 J (ert) 1 J C trans θ mágnesesen ekvivalens magok: aonos kémiai eltolódással és csatolási állandókkal (kémiailag ekvivalens magoknál a csatolási állandók eltérőek) multiplicitás 2 n : nem ekvivalens magok (három kötésen belül) (a csúcsok sáma) n+1: ekvivalens magok (három kötésen belül)
Multiplicitás egenértékű somsédokkal A NMR csúcs: Lorent görbe a) F C Nincs somsédos mag: singulet b) F C Eg somsédos mag: dublet 1:1 c) d) B B F C F C C A A Két somsédos mag: triplet A α α β β B α β α β árom somsédos mag: kvartet A B C α α α α α β α β α β α α α β β β α β β β α β β β n+1 1:2:1 1:3:3:1 Intenitások: Binomiális egütthatók (össegük 2 n ) Eg spin energiája függ a somsédos spinek orientációjától
Multiplicitás nem-ekvivalens somsédos magok esetén: ABX spinrendser ppm 3 C O N A X S COO B N-acetilcistein 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 E elsőrendű ( ν AB /J AB > 7) spektrumokra iga, a másodrendű spektrumok bonolultabbak (hátető effektus, a csúcsok össeolvadása) B o legen nag
1 -NMR spektrum: N-acetilcistein D 2 O-ban pd~12 500 M 3 C O N a COO 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 M) C O C N C C 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) Intenitás/terület
4) Relaációs idő: E 2 β 90 B 0 E1 α 90 gerjestés relaáció Relaáció a NMR spektroskópiában: a a folamat, melnek során a gerjestett magok a felvett energiát leadják más magoknak (spin-spin relaáció) vag a körneetüknek (spinrács relaáció) 1,2 1 M 1 t 0,8 T2 0,8 T M 0,6 = Mt = Mma e 0,6 1 0,4 0,2 spin-rács M = M 0 0 1 2 3 4 5 l = M A populáció különbség vissaáll ma M idő ma e 1,2 M 0,4 0,2 0 spin-spin idő 0 1 2 3 4 5 6 A fáis-koherencia megsűnik t
A térerő hatása a spektrumra c a COO 1,88 Tesla b d OCOMe ertben a skála ~3-sorosára növekedett, a vonalsélesség ppm-ben 1/3-ára csökkent. 5,87 Tesla c a COO b d OCOMe
δ ert = f(b 0 ) J ert = f(b 0 ) Me O 18 Me 19 O 1-dehidrotestosteron
Érékenség növelés spektrum akkumulációval Jel/aj 1.5 1. 5 S/N ~ ncγ γ B ec det 0
Mag Overhauser hatás (NOE - Nuclear Overhauser effect) NOE: a I spin intenitásának megváltoása, ha a S spint telítésbe vissük. Mágneses dipólusok relaációján alapul, a molekulák rotációs mogása révén Két térköeli mag J (kötéseken kerestüli) csatolás nélkül besugárás telítés S telítése, I nagsága nő vag csökken a) b)
I I I 0 0 molekulatömeg 1000 gors bukfenceés lassú bukfenceés A molekulák átfordulási sebességét befolásolja a) őmérséklet b) Oldóser (viskoitás) A NOe arános r -6 -nal 5 Å távolságon belül érvénesül A NOe és annak 2D váltoata a fő esköök a a) 3D konformáció b) atóanag-receptor kölcsönhatás meghatároására.
Több-pulusos technikák 1) Inveriós vissaépülés Pulussekvencia π π/2 t D Felvétel 2) ahn spin echo 3) 2D NMR π π/2 t D t D Felvétel
Inveriós vissaépülés B 0 π π/2 t D Felvétel π π/2 t D π/2 t D π/2 T 1 relaációs idő mérése t D π/2
DO O m C 2 R Magok relaációs tulajdonságainak (T 1 ) mérése A relaációs idő a 1 és 13 C NMR spektroskópiában 10-1 -10 2 másodperc tartománba esik.
ahn spin echo: T 2 relaációs idő mérése, spinek refókusálása π/2 t D π B 0 t D 3 spin
2D NMR A kísérlet 3 (4) fáisa: 1) Előkésítés π/2 2) Kifejlődés: 1D kísérletek soroata t D t D +i t D +i+i t D +i+i+i tipikusan 256 i 3) Keverés (nem feltétlenül) 4) Detektálás: a utolsó π/2
COSY B 0 π/2 t 1 t 1. π/2 Felvétel M M = Mtsin(2πν t1 M cos(2πν t M = t 1 t = ) ) M 0 e 2πν t 1 t T 1 2 (t 2 )
t 1 t 1 =0 t 1 ν 2
COSY Correlation Spectroscop Kontúr plot átlón kívüli off-diagonális
Aspirin kis-felbontású 400 M-es COSY spektruma c a COO ν 1 b d OCOMe ν 2
COSY Gl Tr Gl COSY TOCSY NOESY
DNS-RNS oligonukleotid 500 M NOESY Diagonális Off-diagonális
NMR képalkotó technikák NMR MRI 200-1000 M 8,5-170 M
NMR képalkotó technikák 0,5-1 ml 50-4000 ml
in vivo Egés test képalkotás NMR képalkotó technikák 1 31 P NMR mikroskópia µm felbontás 2 O Mágneses Reonancia Képalkotás Magnetic Resonance Imaging MRI Térerő B 01 B 02 B 0 gradiens Térbeli információ ν γ B 2π 0 = ω = γ B0 ω 1 = γ B 01 ω2 = γ B02 Frekvencia
in vivo MRI 1, 31 P Morfológiai profil Valós idejű, non-invaív A tumor sejtekhe kötött ví relaációs ideje eltérő Kontrast anagok: Emberi fej MRI felvétele Serv-specifikus Gd 3+ kompleek E E rtg MRI 10 10 Agtumor diagnostiálása MRI-vel
A képalkotó technikákban T 1 vag T 2 relaációs időt visgálunk. A relaációs idő megmutatja: 1) og a ví kötött -e 2) og van e jelen valamilen fémion (főként paramágneses) Kötött ví: lassú átfordulás (bukfenceés) Paramágneses fémionok: gors ví relaáció Íg daganatokat, főként körülírt (solid ) daganatokat lehet diagnostiálni. agtumor májtumor
in vivo MRS magnetic resonance spectroscop Kémiai és metabolikus profil Valós idejű Non-invaív, non-destruktív 1, 31 P, 19 F, 23 Na, 13 C kreatin-fosfát PO 4 3- Emberi felkar 40 M-es 31P NMR spektruma nehé fiikai munka elött és után.
Kreatin-fosfát sintje galoglás előtt és után
in vivo MRS Emberi máj in vivo (2,1 T) 13 C MR spektruma. Etanol 1 NMR spektruma, amelben külön láthatók a O, C 2 és C 3 protonok jelei (balról jobbra.)