Jądrowy rezonans magnetyczny — NMR

NAJNOWSZE TRENDY W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
- METODY BADAŃ MATERIAŁÓW
- JĄDROWY REZONANS MAGNETYCZNY (NMR)
dr Zbigniew Kaczyński
Gdańsk 2012
Publikacja współfinansowana
ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
Magnetyczny Rezonans Jądrowy (MRJ)
Magnetyczny: pole magnetyczne niezbędne do zróżnicowania stanów energetycznych;
Rezonans: absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali;
Jądrowy: obserwacja jąder atomów.
NMR - absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości
radiowej (~100-1000 MHz dla protonów) przez jądra atomów znajdujące
się w polu magnetycznym, a następnie emisja promieniowania
elektromagnetycznego powstającego w wyniku relaksacji, czyli „powrotu
jąder” do stanu równowagi termodynamicznej…
g-rays x-rays
UV
VIS IR m-wave
radio
NMR - najpowszechniej używana technika analityczna do określania
struktury chemicznej związków organicznych.
Historia NMR
1937
Rabi przewidział i zaobserwował zjawisko NMR w fazie gazowej
1946
Bloch, Purcell pierwsze widma NMR dla próbki ciekłej
1952
Pierwszy komercyjny spektrometr NMR
1953
Overhauser – zjawisko Overhauser’a (NOE - nuclear Overhauser
effect)
1962
Pierwszy magnes „nadprzewodnictwa”
1966
Ernst, Anderson - transformacja Fourier’a w NMR
1975
Jeener, Ernst - 2D NMR
1985
Wüthrich - pierwsza 3D struktura małego białka (BPTI) w
roztworze wykorzystując dane z NOE
1987
3D NMR, znaczenie protein izotopami 13C,
15N
1990
Zastosowanie pulsów gradientowych – usunięcie zakłóceń
1996
Wartości kątów torsyjnych z widm TROSY (3D protein > 100 kDa)
2010
Aktywnie ekranowany magnes 1000 MHz (Bruker)
Historia NMR – nagrody Nobla
1944
Fizyka
Rabi (Columbia)
(opracowanie metody pozwalającej na mierzenie magnetycznych
właściwości jąder atomowych)
1952
Fizyka
Bloch (Stanford),
Bloch
Purcell (Harvard)
Purcell
(rozwój nowych precyzyjnych metod pomiarów magnetyzmu jądrowego)
1991
Chemia
Ernst (ETH Zurich)
(rozwój metodologii spektroskopii NMR wysokiej rozdzielczości, 2D,
transformacja Fouriera)
2002
Chemia
Wüthrich (ETH Zurich)
Ernst Wüthrich
(metody NMR, umożliwiające badanie 3D struktury makrocząsteczek w roztworach –
Białka, kwasy nukleinowe).
2003
Medycyna
Lauterbur (Urbana),
Mansfield (Nottingham)
(wykorzystanie rezonansu magnetycznego w medycynie)
Lauterbur Mansfield
Podstawy NMR
Technika NMR „jest możliwa” dzięki obecności spinu.
Spin - w dużym uproszczeniu - rotacja wokół osi
– podstawowa właściwość cząstek, taka jak masa,
czy ładunek elektryczny.
Spin
Elektrony, protony i neutrony mają spin I=½ lub I=– ½
(I – liczba spinowa).
Dwie cząstki posiadające „przeciwny spin” mogą się
„parować”, co prowadzi do „znoszenia się” spinów (I = 0).
Podstawy NMR
Spin - własny moment pędu cząstki w układzie, w
którym nie wykonuje ruchu postępowego
(własny => wynika tylko z samej natury cząstki, a nie z ruchu danej
cząstki względem innych cząstek).
P  I ( I  1)
gdzie: ħ – stała Plancka
Podstawy NMR
Moment magnetyczny
Cząstki obdarzone spinem i ładunkiem elektrycznym ≠ 0
wytwarzają wokół siebie słabe pole magnetyczne.
Moment magnetyczny jądra m jest proporcjonalny do momentu pędu
i współczynnika żyromagnetycznego:
m  gP
g - współczynnik żyromagnetyczny; charakteryzuje każde jądro
(każdy izotop), określa czułość danego jądra w pomiarach NMR;
większa wartość g => „bardziej czułe jądro”)
…moment magnetyczny również opisuje zachowane danego jądra w
polu magnetycznym.
Podstawy NMR
m  gP
P  I ( I  1)
m  g I ( I  1)
Tylko jądra z liczbą spinową I≠0 mogą być obserwowane w NMR
A
Z
13
6
C
C
L.m.
p
n
p
L.a.
p
p/n
n
I
0
1/2, 3/2, 5/2,…
1, 2, 3
(12C,
16O
są „niewidzialne” w NMR!)
(1H,
(2H,
13C, 15N, 19F, 31P)
14N)
Są „widzialne”
Podstawy NMR – właściwości wybranych jąder
„Występowanie” [%] Względna czułość g [107 radT-1s-1]
Izotop
Spin
1H
½
99.985
1.00
26.7519
2H
1
0.015
9.62*10-3
4.1066
12C
0
98.9
-
-
13C
½
1.108
1.59*10-2
6.7283
16O
0
99.96
-
-
19F
½
100
0.83
25.1815
31P
½
100
6.63*10-2
10.8394
Podstawy NMR
Pole magnetyczne – do czego potrzebne?
 Widma rotacyjne, oscylacyjne czy elektronowe (m.in. widma
IR, UV-Vis) – pomiar i interpretacja odległości pomiędzy
poziomami energetycznym swobodnej cząsteczki.
 Spektroskopia NMR jest zupełnie inna!!!
 Bez zewnętrznego pola magnetycznego odległości pomiędzy
poziomami, które chcemy badać są zdegenerowane – czyli mają
taką sama energię.
 Próbkę należy umieścić w silnym polu magnetycznym, aby
spowodować „rozszczepienie” (powstanie) odpowiednich poziomów
energetycznych.
Podstawy NMR
Przy braku zewnętrznego pola
magnetycznego, każde jątro
jest energetycznie
zdegenerowane
W silnym zewnętrznym
polu magnetycznym (Bo),
orientują się zgodnie z
kierunkiem lub w kierunku
przeciwnym do linii pola
magnetycznego (odpowiednio,
Bo
stan o niższej i o wyższej energii)
Podstawy NMR
Orientacja jąder w zewnętrznym polu magnetycznym
zależy od liczby magnetycznej m=2I+1
dla I=½  m=+½ i m=-½
Ujęcie kwantowo-mechaniczne
(Energia)
Ujęcie klasyczne
(Orientacja)
wyższa E
m = +½
Bo
antyrównoległa
D E = g ħ Bo = hn
niższa E
m = -½
równoległa
• W ujęciu kwantowo-mechanicznym spiny zróżnicowane są na podstawie
„posiadanej” energii
• W ujęciu klasycznym protony rozpatrywane są jako malutkie magnetyczne
dipole, orientujące się równolegle albo antyrównolegle w stosunku do pola B0
Podstawy NMR
Graficzna zależność pomiędzy natężeniem pola magnetycznego a
częstotliwością promieniowania absorbowaną przez protony (1H NMR)
D E = g ħ Bo
(wyższa energia)
DE dla 1H przy 300 MHz
E
DE dla 1H przy 500 MHz
(niższa energia)
0T
7.05 T
B
o
11.75 T
Podstawy NMR
Układ składający się z wielu spinów
m = +½
wyższa E
niższa E
m = -½
N+
N-
Każdy z dwóch poziomów ma różną
populację spinów (N), różnica ta zależy
od różnicy w energii obu poziomów i
jest opisywana przez rozkład
Boltzmmana:
N-/N+ = exp(-ghBo/2pkT)
Dla 1H przy 60 MHz N-/N+ = 1,000 010
Dla 1H przy 300 MHz N-/N+ = 1,000 050
Dla 1H przy 400 MHz N-/N+ = 1,000 064
Podstawy NMR
Czułość NMR odpowiednio kosztuje…
~€ 800,000
~€ 2,000,000
~€ 4,500,000
Podstawy NMR
Spinujące cząstki ulegają zjawisku precesji w polu magnetycznym
Prędkość kątowa spinowania:
wo = gBo
Częstość precesji (częstość Larmor’a):
n = gBo/2p
Podstawy NMR
Pojedynczy spin
Układ wielu spinów
z
Bo
M
z
Bo
m
y
q
y
x
x
Wektor magnetyzacji M
Podstawy NMR
Efekt rezonansu
Promieniowanie o częstości Larmor’a
powoduje przejście nadmiaru spinów ze stanu
podstawowego w stan wzbudzony
z
Bo
DE  hn 1
z
M
g
n L n1 
B0
2p
y
x
z
W stanie równowagi
y
x
B1
Impuls RF wzdłuż osi „x”
generuje pole magnetyczne B1
90x° impuls
x
y
Precesja w płaszczyźnie xy indukuje sygnał w
cewce odbiornika umieszczonej wzdłuź osi „y”
Detekcja sygnału NMR – FID
Zanik swobodnej precesji FID (free induction decay) jest wynikiem
zmian zachodzących w płaszczyźnie Mxy.
Sygnał zmienia się w zależności od wskazań detektora
umieszczonego wzdłuż osi „y”.
Detekcja sygnału wzdłuż osi „y”
y
RF impuls wzdłuż osi „x”
FID zawiera wszystkie informacje zawarte w widmie
Detekcja sygnału NMR – Transformacja Fourier
Fourier’a
’a
Sygnał NMR jest rejestrowany w domenie czasowej…
FT
Czas [s]
Częstotliwość [Hz]
„Preferujemy” domenę częstotliwości…
Transformacja Fourier’a - matematyczna
procedura przekształcająca domenę czasową
w domenę częstotliwości.
NMR – czasy relaksacji
T1 charakteryzuje
szybkość odtwarzania się
magnetyzacji podłużnej
T2 charakteryzuje
szybkość zaniku
magnetyzacji poprzecznej
T2 relaxation
Spektrometr NMR
Spektrometry NMR
Wczoraj…
i dzisiaj…
Spektrometria NMR na Wydziale Chemii UG
Dzisiaj…
400 MHz
i jutro…
Spektrometr NMR od środka
 Cewka w której płynie prąd
wytwarzając pole magnetyczne
„zwinięta” jest z drutu o długości
kilku kilometrów
 Cewka jest zanurzona w
ciekłym helu (4,2 K). Zwoje i
ciekły hel są umieszczone w
wielkim dewarze. Ten dewar
otoczony jest większym dewarem
z ciekłym azotem (77,4 K).
Historia NMR – pierwsze widma
Pierwsze zarejestrowane i opublikowane widmo NMR
1H
NMR widmo wody
Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear
induction experiment. Physical Review (1946), 70 474474-85.
Historia NMR – pierwsze widma
Pierwsze zarejestrowane przesunięcie chemiczne
1H
NMR widmo etanolu
Arnold, J.T., S.S. Dharmatti
Dharmatti,, and M.E. Packard, J. Chem. Phys., 1951. 19: p. 507.
Widmo etanolu 40 lat później
1H
NMR – widma protonowe
 Liczba sygnałów – liczba grup równocennych protonów
 Krzywa integracji – liczba protonów „w poszczególnych sygnałach”
(względna intensywność sygnału jest proporcjonalna do liczby
protonów „tworzących” dany sygnał)
 Przesunięcie chemiczne
Przesunięcie chemiczne
Różne otoczenie jądra => różne absorbowane promieniowanie
(różne położenie sygnałów na widmie)
Prąd indukowany przez
elektrony
Pole magnetyczne wytwarzane
przez krążące elektrony
Beff < Bo
Beff = Bo - Bloc
Beff = Bo(1 - s)
s – stała przesłanianie
Przesunięcie chemiczne
Przesunięcie chemiczne zależy m.in. od:
 elektroujemności sąsiednich jąder (bardziej
elektroujemne sąsiedztwo – większe przesuniecie),
 charakter sąsiednich wiązań (podwójne, potrójne,
aromatyczne pierścienie – większe przesunięcie)
 wiązania wodorowe,
 efekty rozpuszczalnikowe,
 efekty izotopowe.
Elektroujemność podstawnika a przesunięcie CH3
Typ związku
d [ppm]
CH3-Al
-0.30
CH3-Si
0.00
CH3-C
0.90
CH3-N
2.25
CH3-O
3.35
CH3-F
4.26
Przesunięcie chemiczne
Przesunięcie chemiczne
d
n X n wzorca
10
6
n podstawowa_ spectrometeru
420  0 Hz
6
d

10
 1,05 ppm
6
400 10 Hz
[ppm]
Tetrametylosilan (TMS) jako wzorzec
d
(TMS)
= 0 Hz (ppm)
(parts per milion
– części na milion)
Przesunięcie chemiczne - ten sam związek
Przykładowo sygnał 2 ppm zarejestrowany przy:
60 MHz
120 Hz  0 Hz 6
d 
10  2 ppm
6
60 10 Hz
300 MHz
600 Hz  0 Hz 6
d 
10  2 ppm
6
300 10 Hz
Przesunięcie chemiczne
Przykładowo sygnał 600 Hz zarejestrowany przy:
60 MHz
600 Hz  0 Hz 6
d 
10  10 ppm
6
60 10 Hz
300 MHz
600 Hz  0 Hz 6
d 
10  2 ppm
6
300 10 Hz
Uśrednione zakresy przesunięć chemicznych dla 1H
Sprzężenie spinowo-spinowe => mulitpletowość
Sprzężenie dwóch spinów przez wiązania. W przypadku
protonów przez 2 wiązania (H-C-H) lub 3 (H-C-C-H)
Dwa spiny wzajemnie „czują” swoją obecność
Rozpatrując
tylko HA
Multipletowość – dublet
(1 sąsiedni proton)
B0
Multipletowość – triplet (2 sąsiednie protony)
B0
Multipletowość – triplet i dublet
Sprzężenie spinowo-spinowe
Dla I=1/2, multiplety zawierają n + 1 linii
gdzie n jest równy liczbie sąsiednich jąder (protonów)
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 41
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
1 7 21 35 35 21 7 1
3
3
3 przyłączone jądra
1
J
1
Kwartet
Trójkąt Pascala
singlet
J
J
dublet triplet kwartet
kwintet
Sprzężenie spinowo-spinowe
Stała sprzężenia
• Sprzężenia dostarczają wiele
informacji o strukturze badanego
związku.
• Typowe wartości stałych sprzężenia
dla protonów mieszczą się
w zakresie 1-20 Hz.
• Stała sprzężenia zależy od:
o długości wiązania,
o kąta dwuściennego H-C-C-H,
o kąta H-C-C,
o podstawników.
J
Dublet
J
J
J
Kwartet
Stała sprzężenia
J = 2 - 6 Hz
J = 5 - 14 Hz
H
H
H
H
konformacja
antyperiplanarna
konformacja
synklinalna
J = 2 - 15 Hz
H
H
H
C
C
J = 0 - 7 Hz
H
J = 10 - 21 Hz
C
C H
J = 2 - 13 Hz
Informacje uzyskiwane z widm 1H NMR
Parametr
Nazwa
Informacje
Liczba sygnałów
-
Liczba grup protonów
Intensywność sygnałów
Integracja
Stosunek liczby protonów
Pozycja sygnału
Przesunięcie chemiczne (d) Otoczenie chemiczne
Rozszczepienie sygnałów
Stała sprzężenia (J) [Hz] Kąty dwuścienne
Multipletowość
Liczba „sąsiednich jąder”
Kształt sygnałów
Szerokość połówkowa
Ruchy wewnątrzcząsteczkowe,
wymiana chemiczna
Widmo 1H octanu etylu
O
C
O
HX
H3C
HA
3J
HX
HX
HA
3J
AX
AX
5.5
5.0
4.5
4.0
2.0
3.5
3.0
2.5
2.0
3.0
1.5
1.0
3.0
CH3
H3C
C
OH
CH3
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1.0
1
9.0
CH3
3.6
3.4
2.0
3.2
3.0
2.8
CH2
2.6
2.4
1.0
CH2
2.2
CH2
2.0
1.8
OH
1.6
1.4
2.1
1.2
1.9
1.0
0.8
3.0
Określanie składu mieszaniny (czystości)
CH2OH
H3C
C
O
CH2
CH2
CH2
CH3
O
(6,6+2,6+1,4)/8=1,32 (2,0+3,0+2,1+2,3+3,0)/12=1,03
Stosunek molowy = 1,32:1,03 = 1,3:1
6.6
7.5
2.6
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
2.0
4.0
3.5
3.0
1.4
3.0
2.5
2.0
2.1 2.3
1.5
3.0
1.0
Spektroskopia 13C NMR
I (1H) = ½
I (12C) = 0
99.98 %
I (13C) = ½
98,9 %
g(1H)  25,75
1,1%
g(13C)  6,73
DE  (ghB0)/2p
naturalna zawartość 13C w przyrodzie – 1.1%
CZUŁOŚĆ 13C = 1/5600 CZUŁOŚĆ 1H
 Więcej próbki do pomiarów
 Dłuższe pomiary
Widma 13C NMR
Przesunięcia chemiczne 1H i 13C NMR
Typowe zastosowanie NMR
1. Określanie struktury chemicznej
 Analiza związków naturalnych i syntetycznych
2. Badania procesów dynamicznych
 Kinetyka reakcji, badania równowag chemicznych
3. Badania strukturalne 3D
 Proteiny, kompleksy proteina-ligand
 DNA, RNA, układy proteiny/DNA
 Polisacharydy
4. Projektowanie leków
5. Medycyna/przemysł – obrazowanie rezonansem
magnetycznym MRI (magnetic resonance imaging)
NMR ciała stałego
CP MAS NMR (cross polarization magic angle spinning NMR)
Roztwór
Ciało stałe
 długie czasy relaksacji T1,
 oddziaływania dipolowe,
 anizotropia przesunięć chemicznych.
NMR ciała stałego
CP MAS NMR (cross polarization magic angle spinning NMR)
 bardzo wysoka częstotliwość spinowania,
 spinowanie pod kątem magicznym,
 przeniesienie magnetyzacji z protonów na jądra
mniej czułe/mniej rozpowszechnione
NMR ciała stałego
NMR ciała stałego - przykład
Pomiary NMR „ciała stałego” - zastosowanie
 kompleksy organiczne i nieorganiczne,
 zeolity,
 materiały porowate,
 minerały,
 szkło,
 żywność,
 półprzewodniki,
 materiały archeologiczne,
 żywicy,
 próbki biologiczne i medyczne,
 cementy,
 drewno,
 kości,
 metale i stopy,
 polimery, tworzywa sztuczne,
 badanie uszkodzeń i pęknięć,
 medycyna.