Dóczy-Bodnár Andrea 2012. október 3. Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai
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 elektromosan semleges, de elektromos dipólmomentummal rendelkezik (kvarkok!)) 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)
I= 1/2 részecske (pl. 1 H atommag) viselkedése külső mágneses térben Larmor-precesszió B 0 m I =+1/2; α m I =-1/2; rendeződés + Larmor precesszió 2 lehetséges orientáció B 0 -hoz viszonyítva energiaszintek felhasadása (Zeeman-felhasadás) (általánosan: 2I+1) kvantumos gerjesztés rezonancia abszorpció átmenet E g B B N N 0 N 0 E h 0 N 0 2 B rezonancia frekvencia/larmor frekvencia 0
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 2 1 e E kt 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 rövid ideig tartó, a rezonancia frekvenciának megfelelő RF impulzussal történő gerjesztés makroszkopikus mágnesezettség megváltozik az RF tér mágneses komponensének (B 1 ) hatására kibillen egyensúlyi helyzetéből (B 1 körül, xy sík irányába) Valójában: átmenet a két állapot között betöltöttségbeli különbség, így a z-irányú makroszkopikus mágnesezettség nagysága megváltozik spinek fázisba kerülése az xy-síkra vonatkoztatva (B 1, mint rendező erő ) kialakul egy xy-irányú makroszkopikus mágnesezettség komponens kibillenés mértéke B 1 intenzitásától és az impulzus hosszától függ (pl. 90-os, 180-os impulzus) 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
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 z z y y
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
A spinrendszer szabad válasza (FID) a 90 -os impulzus után FID 90 o pulse Homogén mágneses tér a valóságban a FID-hez képest az impulzus igen rövid: t impulzus a gyakorlatban legtöbbször komplex impulzus szekvenciákat alkalmaznak jel/zaj viszony javítása szekvencia ismétlése a detektálás során M XY precessziója szolgáltatja a jelet a szekvenciának tartalmaznia kell M XY -t eredményező impulzust ismétlési idő kiválasztása, detektálás időzítése relaxációs idők határozzák meg
Relaxációs folyamatok 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 molekuláris mozgások szerepe a relaxációs folyamatokban lehetőség a rendszer dinamikus sajátságainak vizsgálatára pl. szövetspecifikus relaxációs idők (ld. MRI)
Nagy feloldású (high resolution) NMR (szemináriumon) 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 NMR a biológiában: kémiai módszerek (jelölés) és bonyolult impulzusszekvenciák kombinációja ( többdimenziós NMR) biológiailag fontos (makro)molekulák (fehérjék, nukleinsavak) szerkezetének (3D) vizsgálata gyógyszerszerkezet, hatásmechnizmus stb.
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) (szemináriumi anyag) 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 (mgasabb frekvenciák, akár 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. biológiai alkalmazások
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"
Otto Stern (fizika, 1943) Isidor I. Rabi (fizika, 1944) Felix Bloch, Edward M. Purcell (fizika, 1952) Richard R. Ernst (kémia, 1991) Kurt Wüthrich (kémia, 2002) Pau C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (orvostudomány, 2003)