MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

1) A jelenség 2) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 3) Magnetic Resonance Imaging (MRI) 4) Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS)

NMR és Nobel díj

1952

Fizika Módszer és elméleti alapok Felix Bloch

1991

Kémia Nagy felbontású NMR spektroszkópia Fourier transzformáció, 2D technika

2002

Edward Mills Purcell

Kémia

Richard Ernst

Kurt Wüthrich

Biológiai makromolekulák 3D szerkezete

2003

Orvosi MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedezése Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield

Atommagok mágneses tulajdonságai spin Proton

Kvark fel Kvark fel Kvark le

Neutron

Kvark fel Kvark le Kvark le

Töltések: Kvark fel : +2/3

1/2

Kvark le : -1/3

1/2

Proton : +1 Neutron : 0

1/2 1/2

Mag

Spin: saját, belső impulzusmomentum (perdület – megtévesztő, mert azt sugallja, hogy a részecske saját tengelye körüli forgásából adódik)

A protonok és neutronok a legalacsonyabb energiaszintű pályákat igyekeznek elfoglalni (ebben az elektronokkal megegyeznek), és az ellentétes spinűek igyekeznek párosítódni (ebben az elektronoktól eltérnek).

A protonok és neutronok saját impulzusmomentumának következménye az atommag saját impulzusmomentuma (spinje), ennek nagysága kvantált.

I  I(I  1)  

Spinimpulzus-momentum nagysága



h 2

I: a mag spinkvantumszáma, függ a magban lévő protonok és neutronok számának típusától

Mag

Példa

Protonszám

Neutronszám

I

páros

páros

0

12C, 16O

páratlan

páratlan

1 (2,3..)

14N

.,5

1H, 13C, 19F,

Az egyik páros, a másik páratlan

31P 23Na

(1,5) 17O (2,5)

NMR inaktív magok

NMR aktív magok

A spinimpulzus momentum vektormennyiség: iránya és nagysága is kvantált. Egy I spinű mag I impulzusmomentumának (vektor félkövér!) egy tetszőlegesen választott (pl. a z) tengelyre nézve 2I+1 számú merőleges vetülete van. Azaz, I z komponense, Iz kvantált:

I z  m m: a mag mágneses kvantumszáma, melynek értéke lehet: -I, -I+1, … , I-1, I



 0.5  

 0.5  I=0,5



0



cos 

Iz mI mI   I I(I  1) I(I  1)

1 H(I  0.5) :  54.7 I=1

A mag mágneses momentuma, m – szintén vektormennyiség – arányos I-vel. A g arányossági tényezőt giromágneses (csavarómágneses) hányadosnak nevezzük.

m=gI

Egyes izotópok mágneses magrezonanciás tulajdonságai

m magmagneton

g radian/ Tesla sec

Relatív érzékenység

NMR frekvencia [MHz] 4,7 Tesla térerőnél

Kémiai eltolódás tartomány [ppm]

Egyenlő számú magra

Természetes izotóp-arány mellett

Izotóp

I

Természetes előfordulás %

1H

1/2

99,9844

2,7927

2,6751

200

10

1,000

1,000

2H

1

0,0156

0,8574

0,4107

30,7

10

9,65×10-3

1,45×10-6

11B

3/2

81,17

2,6880

0,8583

64,2

250

0,165

0,133

13C

1/2

1,108

0,7022

0,6726

50,3

250

1,59×10-2

1, 76×10-4

14N

1

99,635

0,4036

-0,1933

14,4

900

1,01×10-3

1,00×10-3

15N

1/2

0,365

-0,2830

-0,2711

20,3

900

1,04×10-3

3,85×10-6

17O

5/2

0,037

-1,8930

-0,3627

27,1

700

0,0291

1,08×10-5

19F

1/2

100

2,6273

2,5167

188

800

0,833

0,833

23Na

3/2

100

2,2161

0,7076

53

0,095

0,095

29Si

1/2

4,70

-0,5548

-0,5316

39,7

400

7,84×10-3

3,68×10-4

31P

1/2

100

1,1305

1,0829

81

700

0,0663

0,0663

35Cl

3/2

75,53

0,8209

0,2621

19,6

7,70×10-3

3,55×10-3

B0

precesszió B0

eredő mágnesezettség

z x

z

 0.5 

x

 y

y

 0.5  I=0,5

a különböző fázisú spinek egyenletes eloszlása a precesszió szöge q

Mz  0 M XY  0

B0>>>>Mz (mérhetetlen)

Mágneses energiaszintek Példa: I=1/2

E  mzB0  mgB0 E

1H

B0

b antiparallel

13C

b

13C

a

1H

Na e Nb

E kT

pl.:

E=0,5għB0

m= +1/2

E=-0,5għB0

a parallel

B0 

m= -1/2

E= għB0

B0= 11,74 Tesla (500 MHz) 1H (500 MHz) Ntotál= 2 000 000 Na = 1 000 016 Nb = 999 984

A precesszió frekvenciája:

1  g  B0 2

  g  B0

radián Hertz sec Larmor frekvencia = f (g, B0) A rezonancia (a spinek parallel állapotból antiparallel állapotba jutnak): a besugárzás frekvenciája egyezzen meg a Larmor frekvenciával.

E = h = għB0 Rezonancia frekvencia:

1  g  B0 2

CW NMR (continuous wave, -t (B0-t) fokozatosan változtatják, pásztázzák)

PFT NMR (pulse Fourier transformation, az összes átmenetet egyszerre gerjesztik egy rövid pulzussal)

g-sugarak

röntgensugarak

Az elektromágneses spektrum

10 22 10 20

Mössbauer

600 500

18

10

400 300

ultraibolya 1016

látható infravörös

1014

1H

19F

elektrongerjesztési 200

rezgési

31P

1012 mikrohullámú

rádiófrekvenciás

100

1010

forgási

108

NMR

106

/Hz

13C

/MHz

z

z

B0

x

x

B0

y

y

B1

Mz eredő mágnesezettség

rezonancia fázis-koherencia (kötegelődés) My eredő mágnesezettség B0 >>>> B1

Az eredő mágnesezettség megváltozása B0

B1 Rezonancia: Mz  0, My alakul ki Relaxáció: Mz visszaépül, My  0

FT

FID: free induction decay szabad indukciós lecsengés szinuszoid oszcilláló

FT

FT B1

Idő

Frekvencia

forgó légpárna

korrekciós tekercs

vákuum folyékony N2-kamra (-70 C) vákuum folyékony He-kamra (-269 C)

szupravezető tekercs

900 MHz 3500 e USD

600 MHz 750 e USD

200 MHz 250 e USD

A rezonancia frekvencia függ: - a mag fajtájától - a mag kémiai környezetétől Mágneses térerő egy adott mag környezetében:

Bhelyi  B0  B0  B0 (1   )  : árnyékolási tényező 1729,6 Hz 4324 Hz

Kémiai eltolódás



502,4 Hz 1256 Hz

 megfigyelt   TMS   106  spektrométer

1 g  Bhelyi 2

6,136 ppm 6,136 ppm

ppm, dimenzió nélküli

200106 500106 CH3 H3C

Si CH3 CH3

TMS

CH3

O H2C

CH2

H2C

CH2

O

dioxán 2,50 ppm

H3C

C

OH

CH3

tercier-butanol 1,24 ppm

Legfontosabb NMR jellemzők: 1) Kémiai eltolódás 2) Spin-spin csatolás (csatolási állandók, multiplicitás) 3) Intenzitás/terület 4) Relaxációs idő

1) Kémiai eltolódás

1H

NMR: 13C NMR: 19F NMR: 31P NMR:

10 ppm 250 ppm 800 ppm 700 ppm

H H

H

H

NH H

H

HDO

C

CH2

CH3

TMS

H

10

8

6

4

2

0 ppm

Magasabb helyi tér Magasabb frekvencia Kisebb árnyékolás Alacsonyabb elektronsűrűség

A pH változtatás hatása a kémiai eltolódásra savas karakterű molekulák esetén Ecetsav 1H NMR titrálása

 HL

• az 1H kémiai eltolódást

L

meghatározó egyik fő faktor a helyi elektronsűrűség



8

• a savi disszociáció növeli az elektronsűrűséget a savi csoport környezetében

7 6

• a szomszédos szénhez pH

5 4 3 2

kapcsolódó protonok NMR jele alacsonyabb ppm felé tolódik köztes pH értékeknél a savi és bázikus forma kiátlagolt jele látható

1 2.20

2.15

2.10

2.05

2.00

1.95

1.90

1H chemical shift (ppm)

1.85

 mért   HL  xHL   L  xL

Ecetsav NMR-pH titrálási görbéje 2.2 HL



mért 2.1

(ppm ) 2.0

pK a  4.64

1.9

L-

1.8 1

2

3

4

pH  pK a  log

5

6

7

 mért   HL  L   mért

8 pH

2) Spin-spin csatolás: aktív magok közötti kölcsönhatás, ami jelfelhasadást okoz (multiplicitás) Csatolás: 1) direkt (D, dipoláris), téren keresztüli (szilárd fázisú NMR-ben) 2) indirekt (J, skaláris, független B0-tól), kötő elektronokon keresztüli csatolási állandók

3J HH

(vicinális)

2J HC

(geminális )

1J CH

A 3-kötéses csatolási állandók fontos jelzői a konformációnak Összefüggés a diéderes szög és 3JHH csatolási állandók között (Karplus)

q

H

transz

H C

C Hz

3J HH

(Hertz)

q mágnesesen ekvivalens magok: azonos kémiai eltolódással és csatolási állandókkal (kémiailag ekvivalens magoknál a csatolási állandók eltérőek) 2n: nem ekvivalens magok (három kötésen belül) multiplicitás (a csúcsok száma) n+1: ekvivalens magok (három kötésen belül)

Multiplicitás egyenértékű szomszédokkal

Az NMR csúcs: Lorentz görbe

F

a)

C

Nincs szomszédos mag: szingulet

F

b)

C

c)

H

F

B

H

C

H

A

F

d) B

H

C HC

H

A

Egy szomszédos mag:

dublet

Két szomszédos mag: HA HB a a a b b a b b

triplet

1:1

1:2:1

1:3:3:1

Három szomszédos mag: kvartet HA HB HC a a a b a b b b

a a b a b a b b

a b a a b b a b

n+1 Intenzitások: Binomiális együtthatók (összegük 2n) Egy spin energiája függ a szomszédos spinek orientációjától

Multiplicitás nem-ekvivalens szomszédos magok esetén: ABX spinrendszer O H3C

H HX COOH N HA

N-acetilcisztein

HB SH

HA

Hx

HB

ppm 3J

3J

BX

3J

AX

3J

BX

2J

AB

3J

AX

2J

AB

2J

AB

BX

2J

AB

ppm

Ez elsőrendű (ΔAB/JAB > 7) spektrumokra igaz, a másodrendű spektrumok bonyolultabbak (háztető effektus, a csúcsok összeolvadása) → Bo legyen nagy

1H-NMR

spektrum: N-acetilcisztein D2O-ban

pD~12 500 MHz

O H 3C

H Hx COOH N Ha

Hb SH

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

3) Intenzitás/terület Efedrin-hidroklorid D2O-ban (360 MHz) H

H

H

H

OD

HB

C

C

HA

N CH3 D2

CH3

+

H

1.18

1.16

1.14

1.12

1.10

1.08

1.06

1.04

Terc-butanol 3.60

5.170

5.160

5.150

5.140

5.130

5.120

5.110

5.100

3.55

3.50

3.45

HDO

5.090

5h 1h

3h

3h

1h 7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

4) Relaxációs idő: E2 b

90°x

B0

E1 a z

z

x

z

x

z

x

x

90°x y

y

y

y

gerjesztés relaxáció

spin-rács

1,2

Mz

1,2

spin-spin

Mxy

1

1

0,8

0,8 0,6

M z  M l  M zmax  M zmax  e

0,4 0,2 0



t T1

M xy  M t  M xymax  e

0,6 0,4



0,2 0

0

1

2

3

4

idő

5

A populáció különbség visszaáll

0

1

2

3

4

idő 5

6

A fázis-koherencia megszűnik

t T2

A térerő hatása a spektrumra Ha

1,88 Tesla

cH

COOH

bH

OCOMe

Hd

5,87 Tesla

Hertzben a skála ~3-szorosára növekedett, a vonalszélesség ppm-ben 1/3-ára csökkent. Ha cH

COOH

bH

OCOMe

Hd

Hertz = f(B0) JHertz = f(B0)

Me

OH

18

Me

19

O

1-dehidrotesztoszteron

Érzékenység növelés spektrum akkumulációval

Jel/zaj

1.5 1.5 S/N ~ n cg excg det B0