2016.08.22.
Fizikai kémia 2. 15. Az NMR spektrum mérése Dr. Berkesi Ottó SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszéke 2015
Az NMR színkép mérése • Az NMR-rel kapcsolatos jelenségeket leírására kétféle koordináta rendszert használnak. • Az egyik az ún. laboratóriumi koordináta rendszer, ahol zy irány a Bo külső tér irányába mutat, és a mágneses momentumok νL-val precesszálnak. • Az x-, és y-irányt a műszerbe szerelt adók, és vevők határozzák meg.
Bo - z
νLarmor x
Az NMR színkép mérése Bo - z
x
νLarmor
• A síkban polarizált rádiófrekvenciás sugárzás – két cirkulárisan polarizált komponens eredője. y • Mindkettő a Larmor frekvenciával forog, a haladás iránya körül, de ellentétes irányba. • A·eikx és A·e-ikx függvények!
yz-síkban polarizált fény
1
2016.08.22.
A síkban polarizált fény
Microsoft PowerPoint 97-2003 bemutató
Az NMR színkép mérése Bo - z
νLarmor B1
x
• Az egyik ugyanabba az irányba, és ugyanazzal a frekvenciával, mint a mágneses vektorok, azaz hozzájuk képest mozdulatlan! • Forgó koordinátarendszer – a y z-irány azonos a B vektor irányával, de az x- és y-tengely a mágneses vektorokkal együtt, Larmor frekvenciával forog.
Az NMR színkép mérése
z α
Nα−Nβ β′ β x
• A forgó koordinátarendszerben könnyen érthető az átmenet mikéntje, az egyes mágnesezettségi komponensek és az állapotok benépesítettségének a változása. • A besugárzás hatására B y α′ 1 Mz csökken, Mxy nő, ha kiegyenlítődik a népesség, Mz megszűnik!
2
2016.08.22.
Az NMR színkép mérése z
x π/2x
• Azt az impulzust, amely megszünteti a mágnesezettség z-irányú komponensét, és létrehozza a maximális y nagyságú xy-síkbeli komponenst 90 fokos, azaz π/2-impulzusnak nevezzük
Az NMR színkép mérése • A π/2 impulzusnál kétszer hosszabb besugárzással, az eredetivel azonos nagyságú, de ellentétes irányú z-komponens alakul ki. Ez a 180 fokos, azaz a π-impulzus. • Populáció inverzió – a benépesítés felcserélődik! (lézerek)
z
y
x πx
Az NMR színkép mérése • Mi történik a mágnesezettség egyes komponenseivel, ha megszüntetjük a besugárzást? • A z-irányú komponens megváltozása amiatt történt, hogy energiát közöltünk a rendszerrel, tehát az energiaközlés megszűnése után, a rendszer energiát igyekszik leadni a környezetének – Bloch egyenleteiben – a rácsnak, ezért a folyamat entalpia vezérelt! • Ez a spin-rács, vagy longitudinális, z-irányú relaxáció! – jellemző a T1 relaxációs idő.
3
2016.08.22.
Longitudinális, spin-rács relaxáció t − T M z (t ) = M 1 − e 1 Mz
0 z
1,40 1,20
Bármely koordináta rendszerben!
1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
t/s
Az NMR színkép mérése • A kialakult xy-síkbeli mágnesezettség annak az eredménye, hogy a besugárzás megszüntette a mágneses momentumok egyenletes eloszlását a precessziós kúpokon, a B1 segédtér irányában sűrűsödtek, vele ellentétes oldalon ritkultak, azaz a rendezettség mértéke változott meg, azaz a besugárzás megszűntekor a nagyobb valószínűségű állapot áll vissza, az entrópia hajtja a folyamatot. Bruttó energia leadás vagy felvétel nincs! • Ez a spin-spin, vagy transzverzális, xy-irányú relaxáció! – jellemzője a T2 relaxációs idő.
Transzverzális, spin-spin relaxáció t T2
T1 ≥ T2
Mxy
M xy (t ) = M xymax .e
−
1,40 1,20
A forgó koordináta rendszerben!
1,00 0,80 0,60 0,40 0,20
Mxy
0,00 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
t/s
4
2016.08.22.
Mx/y
Free Induction Decay - FID 2,0 1,5
Mx
1,0
My
A laboratóriumi koordináta rendszerben!
0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
M x (t ) = − M xymax .e
M y (t ) = M xymax .e
−
−
t T2
t T2
14,0
t/s
sin (2πν L t + ρ )
cos(2πν L t + ρ )
FID és Fourier transzformáltja FID
~ sin 2 t
I
- νL/Hz
~ cos 2 t
0
νL/Hz
0
νL/Hz
0
νL/Hz
I
FFT - νL/Hz
I
Quadrature detection vL
- νL/Hz
FID – az inhomogenitás hatása • A FID, ideális esetben a transzverzális relaxációs idővel (T2) jellemzett elsőrendű kinetika szerint csökkenő amplitúdójú periodikus jel. • A valóságban az amplitúdó azonban gyorsabban csökken, aminek az oka, hogy nincs tökéletesen homogén mágneses tér. • A jellemző időállandó T2* - az effektív transzverzális relaxációs idő. • Vizsgáljuk meg, hogy miért és hogyan történik mindez!
5
2016.08.22.
FID – az inhomogenitás hatása z 2,00
Mxy
1,60
Mxy – max.
1,20
T2
0,80
B=Bo+δB
y
B=Bo-δB
0,40
B=Bo x
M xy (t ) = M
max . xy
−
e
M xy (t ) = M xymax .e
−
t T2*
t T2
0,00 0,0
T*2 4,0
8,0 t/s
12,0
és T2* > T2
A T2 relaxációs idő mérése • Hogyan lehet mégis megmérni a valós transzverzális relaxációs időt? • A pulzus NMR technika erre is ad lehetőséget, az ún. spin echo vagy refókuszálás nevű technikával. • Alapja, hogy azt feltételezzük, hogy a külsőtől eltérő térerejű részben lévő részecskék, mágneses momentumok a FID felvételének a végéig ugyanabban a térrészben maradnak! • A πx impulzus segít! Nézzük meg, hogy hogyan?
A πx impulzus hatása z
M1 – v1 M2 – v2 v2 > v1 y
x
πx
6
2016.08.22.
T2 mérése – a Carr-Purcell szekvencia τ
τ
π/2x z x
FFT
z
z
z y
y
x
y
x
z y
x
1,00
Intenzitás
t2
πx
0,80
M xy (t ) = M xymax .e
0,60
−
y
x
vL
2τ T2
0,40
Δ ⁄ =
0,20 0,00 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
2τ/min
1
A T1 relaxációs idő mérése • A longitudinális mágnesezettség (Mz) változásának mérése Bo nagysága miatt nem lehetséges. • A feladat az Mz-vel arányos mágnesezettségi komponens létrehozása az xy-síkban. • A kísérlet a spinpopuláció invertálásával indul, és változó relaxációs időt alkalmazva, a megszűnő –z-irányú mágnesezettség nagyságát mérjük.
A T1 relaxációs idő mérése t1
t2
πx
FFT
z
z y
x
z y
0,80
z y
x
M z (t ) = M z0 e
1,00
Intenzitás
x
π/2
−
x
y
vL
τ T1
0,60 0,40 0,20 0,00 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
t1/min
7
2016.08.22.
A 13C magok mérése • A szerves molekulák szerkezetvizsgálatához az 1H-NMR színkép mellett a 13C magokról szóló információ is igen fontos lenne! • A 13C magok alig több mint 1%-ban vannak jelen, és érzékenységük kb. 50-ed része az 1H magokénak! • Nem valószínű, hogy van közöttük csatolás! • Az 1H magokkal való csatolás azonban felhasítaná a jeleket, tovább nehezítve a mérésüket, bár javulna a hordozott információ mennyisége. • Mit lehet tenni?
Decoupling - lecsatolás • Csatolt magok között a csatolás megszüntetését jelentette az egyik mag frekvenciáján történő folyamatos besugárzással korábban, a CW-, és a korai FT-NMR idején. • Ma a „broadband decoupling – szélessávú lecsatolás” az alkalmazott eljárás, amely során a lecsatolandó magtípus csatornáján, annak teljes frekvenciaszélességében, a mérendő mag FID-jének regisztrálása közben, ismétlődő pulzussorozatok segítségével érik el, hogy az ne tartalmazzon információt a másik maggal való csatolásról.
Decoupling - lecsatolás π/2
t2
1H
1H
π/2 13C
π/2
t2
t2 13C
13C
Ez azonban csak 2x-es intenzitás növekedést okozna, de számíthatunk még a „Nuclear Overhauser Effect” hatására is!
8
2016.08.22.
Nuclear Overhauser Effect • A NOE a mágneses momentumok közötti dipóldipól kölcsönhatáson alapszik, más csatolás megléte nem szükséges. • Ez a kölcsönhatás gyorsan csökken a távolsággal (r-6), így a molekulán belül közel elhelyezkedő mágneses momentumokról szolgáltat információt. • A NOE egy mag rezonancia intenzitásának változását eredményezi akkor, ha egy másik mag rezonancia átmenetét megzavarjuk, legtöbbször a megzavarás módja az átmenet szelektív telítése. • Miből származik!
Nuclear Overhauser Effect N
N+1/2 δ
βα
ha Wo a domináns, akkor A jele csökken. ½δ
A
Wo
αβ
Az A szerinti relaxáció hajtóereje nem változik, és az X-szerinti 0
N + 2δ
A W2 X
X
αα
ββ
X
N+ 3/2 δ
N + 2δ
A
N +δ
βα A különbség αβ mindenütt δ
A
N+ 3/2 δ N +δ
A
δ
X
N +δ
A
N+1/2 δ
X
Telítés X-en!
N N +δ
X
0
δ
δ
ββ
αα
X
½δ
A 1½δ
½δ
X A ha W2 a domináns, akkor A jele nő.
A NOE kísérlet
1H
π/2 13C
π/2
t2
t2 13C
Lecsatolásos kísérlet: a felhasadás megszűnik, a teljes intenzitás marad!
13C
NOE kísérlet ~3x
9
2016.08.22.
Nuclear Overhauser Effect A NOE lehetséges maximális értéke ηNOE = γS/2γI 1
Besugárzott mag
19
H
1
Mért mag ηNOE 1 + ηNOE
13
H 0,5 1,5
C 1,99 2,99
15
N -4,93 -3,93
F
19
F 0,53 1,53
29
31
Si -2,52 -1,52
P 1,24 2,24
1
H 0,47 1,47
13
19
C 1,87 2,87
F 0,5 1,5
A NOE gyengülést okoz! ηNOE = γS/2γI <0
A mérhető maximális erősítés: 1 + ηNOE
Polarisation Transfer • Ha a két mag csatolásban van egymással, mint pl. a 13C és a rajta lévő 1H-ek magjai, csak akkor következik be. • A széles sávú lecsatoláshoz képest nem folyamatos a besugárzás a lecsatolandó mag csatornáján, hanem egy szelektív, csak az egyik átmenetet érintő π-impulzus, amelyik létrehozza az inverz populációt, azaz a természetes megoszlásnak megfelelő többlet, a magasabb energiájú szinten van. • Ez megváltoztatja a másik mag benépesítettségi különbségét is, amely megváltoztatja a mért intenzitásokat!
Polarisation Transfer Boltzmann-eloszlás: ∆NH = 4∆NC
1H-13C
ββ
ββ N-∆NH-∆NC
2∆NC C2
βα
2∆NH
H1
π-imp. az H1-n!
1H
αβ N+∆NH-∆NC
2∆NC C1 αα
13C
H1
2∆NH
N-∆NH+∆NC
2∆NH N+∆NH+∆NC
C2
βα
N-∆NH+∆NC
H2
N+∆NH-∆NC 6∆NC
-2∆NH H2
N+∆NH+∆NC
1H
αβ N-∆NH-∆NC
-10∆NC C1 αα
13C
10
2016.08.22.
Az INEPT kísérlet Insensitive Nuclei Enhanced by Polarisation Transfer π/2x
πx
π/2y
τ/2
τ/2
1H
πx
π/2x
t2
13C
13C
INEPT ~4x, és negatív γ-jú magoknál is jó: 15N ~10x, 29Si ~5x
A 13C-NMR színképek • A 13C-NMR színképek kémiai eltolódás tartománya jóval szélesebb, mint az 1H-NMR színképeké! • Nem tartalmaznak információt az ekvivalens magok számáról, és a rajuk található protonok számáról, a rendűségről! • A különböző rendű szénatomok kémiai eltolódása erősen változik a kémiai környezettel, és a tartományok átfedése túl nagy ahhoz, hogy egyértelmű legyen a hozzárendelés. • Milyen lehetőségeink vannak?
Az APT kísérlet Attached Proton Test lecsatolás JMOD - Brucker
változhat 1H
π/2x 1/(J/2) 13C
H3C-
πx 1/(J/2)
-CH=
t2 =C= -CH2-
A primer-tercier és a szekunder-kvaterner szénatomok jelei ellentétes irányúak a színképben.
11
2016.08.22.
Pulzus NMR – 1D-ben • A mágneses térerő növelése sokat egyszerűsít a színképeken, hiszen az addig nem elsőrendben felhasadt spinrendszerek is elsőrendűekké válhatnak, a rezonancia frekvenciák különbségének növekedtével, de nem tudják megszüntetni pl. az egyes spinrendszerek jeleinek átfedését. • A pulzussorozatok alkalmazása, amint ezt láthattuk, eredményezhet 1D-s színképet, amely az egyszerű színképhez képest többletinformációt tartalmaz. Pl. APT, INEPT stb.
Pulzus NMR – 2D-ben • A relaxációs idők mérésénél már találkoztunk azonban olyan kísérlettel, amikor a mérés egy időparaméterét változtatva tulajdonképpen egy felületet hozunk létre, amelynek a második tengelye idő volt, azaz a jel 2D-s lett. • Ezt a típusú színképsereget azonban nem szoktuk szoros értelemben vett 2D-NMR színképnek nevezni. Ahhoz az kell, hogy az új idő tengely irányában is elvégezzük adataink Fourier transzformálását, azaz mindkét dimenzió frekvencia, illetve az NMR esetében kémiai eltolódás is lehet.
A 2D-NMR kísérlet T1 mérése
A kiindulási állapot beállítása, tartalmazhat pulzusokat és folyamatos besugárzást is. Fix hosszúságú.
A vizsgálandó folyamat érvényesülése, kifejlődése. Tartalmazhat pulzusokat, folyamatos besugárzásokat. Hossza változhat, amiből a t1–tengely származik a 2DNMR-alkalmazásokban.
t2
π/2 Mixing/Keverés
Evolution
πx
Kifejlesztés
Előkészítés
Preparation
t1
Detection Detektálás
A FID mérése
A vizsgálni kívánt mágnesezettségi komponennek az xy-síkba történő beforgatására szolgáló impulzusok. Fix hosszúságú, de hiányozhat is (pl. T2 mérése)!
12
2016.08.22.
A - Chemical Shift COrrelation SpectroscopY - COSY νa
ν1/Hz
νb
J
νa
t1-változik π/2x t1
t2
A J csatolási állandó leolvasható!
νb
J
π/2x
Correlation square korrelációs négyzet
Axial-peaks – tengely csúcsok
AB spinrendszer magasabb rendű csatolással
ν2/Hz
J
Csatolási nélküli mag!
J
B - J-Spektroszkópiák πx
π/2x
Homonukleáris J-spektroszkópia
t1
t1
1H
t1-változik ???
A2X3 csatolt spinrendszer J/Hz 50,0
Némi digitális átszabás után a δ kémiai eltolódás és a J csatolási állandó külön-külön leolvashatók!
t2
37,5
25,0
12,5
0,0
-12,5
-25,0
-37,5
-50,0
Jax
Jax
Csatolási nélküli magok! δA δB
δY
δX
δ/ppm
Mérés nem homogén térben • A kémiai szerkezetelderítésben használt készülékeknél a minél homogénebb tér az elvárás. • Léteznek olyan alkalmazások, amikor inhomogén, szabályozottan változó mágneses teret kell használnunk! • A határfelületi jelenségek tanulmányozásához lineárisan változó mágneses terű készüléket használnak. • Ugyanezt használják az MRI-nél (Magnetic Resonancia Imaging)!
13
2016.08.22.
Int. ~ c
Mérés nem homogén térben
Indukció
B(x) νL(x)
ha B fgv.-e x-nek, akkor a νL is a hely függvénye, azaz a mért intenzitást a hely függvényében lehet megadni!
x
Indukció
Mérés nem homogén térben
B(x) Nagyszámú, különböző irányból felvett adatból képalkotó eljárások segítségével megalkotható a test 3D-s képe - MRI
x
Ajánlott irodalom • P.W. Atkins, Fizikai Kémia II. Szerkezet, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp., 2002, 690-694, 698-702. old. • http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/chem605/index.htm • http://chem4823.usask.ca/pulseseq.html • https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_magnetic_resonance • http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/chap-6/chap-6.htm • http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/inside.htm • https://en.wikipedia.org/wiki/Insensitive_nuclei_enhanced_by _polarization_transfer • https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon13_nuclear_magnetic_resonance • https://en.wikipedia.org/wiki/Twodimensional_nuclear_magnetic_resonance_spectroscopy
14
