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

Hasonló dokumentumok
Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

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

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

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

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Mágneses módszerek a műszeres analitikában

Mágneses rezonanciás képalkotás AZ MRI elve, fizikai alapok

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

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

Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia

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

MRI áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 3. ea ősz

Alkalmazott spektroszkópia Serra Bendegúz és Bányai István

Times, október 9 MRI

24/04/ Röntgenabszorpciós CT

lásd: enantiotóp, diasztereotóp

Rádióspektroszkópiai módszerek

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

Mi mindenről tanúskodik a Me-OH néhány NMR spektruma

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

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

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


Alkalmazott spektroszkópia

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

A fény és az anyag kölcsönhatása

Fizikai kémia 2. ZH V. kérdések I. félévtől

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

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

A testek részecskéinek szerkezete

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

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Morfológiai képalkotó eljárások CT, MRI, PET

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

Fontos fogalmak. A pörgettyűmodell

A BioNMR spektroszkópia alapjai

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

Spektroszkópiai módszerek 2.

A BioNMR spektroszkópia alapjai

Az (N)MR(I) módszer elve

Elektronspin rezonancia

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

Az ultrahang orvosi alkalmazásai

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Átmenetifém-komplexek ESR-spektrumának jellemzıi

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Emlékeztető Paramágneses anyagok

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

4.A MÁGNESES REZONANCIA (MR) ORVOSI ALKALMAZÁSA

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

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

5.4. Elektronspektroszkópia

1D multipulzus NMR kísérletek

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

Az elektromágneses hullámok

CT/MRI képalkotás alapjai. Prof. Bogner Péter

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

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

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

ESR színképek értékelése és molekulaszerkezeti értelmezése

Az NMR spektroszkópia alapjai

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

Mágneses rezonancia képalkotás elektronspin nyomjelzővel

Vektorok, mátrixok, tenzorok, T (emlékeztető)

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

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiák

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

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

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

Fluoreszcencia 2. (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

alapvető tulajdonságai

I. Az NMR spektrométer

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Bevezetés a részecske fizikába

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

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Biofizika és orvostechnika alapjai

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

Zéró Mágneses Tér Laboratórium építése Nagycenken

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Nagy Sándor: Magkémia

8. Elektronspin rezonancia

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROMETRIA

Mag-mágneses rezonancia

Gnädig Péter: Golyók, labdák, korongok és pörgettyűk csalafinta mozgása április 16. Pörgettyűk különböző méretekben az atomoktól a csillagokig

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

BIOFIZIKA. Metodika- 4. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

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

Az anyagok kettős (részecske és hullám) természete

Az Orvosi Fizika Szigorlat menete a 2012/2. tanévtől

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

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

Átírás:

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)