NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ RESONANCE JADERNÁ MAGNETICKÁ RESONANCE

TEORETICKÝ ZÁKLAD Využití magnetických vlastností jader; charakterizované magnetickým momentem  Protony, neutrony: vnitřní moment hybnosti, spin (1/2). Jádro: spinové kvantové číslo I (součet spinů protonů a neutronů). 1. I = 0: sudý počet protonů a neutronů – 12C, 16O, 32S. Jádra nemají , neměřitelná I = 1/2: lichý počet protonů, sudý počet neutronů: 1H. Jádra mají , měřitelná sudý počet protonů, lichý počet neutronů: 13C. Jádra mají , měřitelná 3. I  1/2: lichý počet protonů a neutronů: 2H, 14N: také kvadrupol. moment, obtížné Jádra s I  0 bez působení magnetického pole

TEORETICKÝ ZÁKLAD Energie jednotlivých prostorových orientací vektoru mag. momentu: - za nepřítomnosti magnetického pole stejná - jádra v magnetickém poli o indukci Bo: rozštěpení energie na podhladiny, počet podle hodnoty I

TEORETICKÝ ZÁKLAD I = 1/2 (nejčastěji): dvě hladiny, energetický rozdíl ….gyromagnetický poměr; konst. pro každý izotop

Přechod mezi hladinami: rezonanční podmínka při používaných hodnotách Bo  12 Tesla (V.s.m-2):   10 – 100 MHz V praxi: Bo přístroje se často udává jako frekvence, při níž rezonují jádra 1H („intenzita pole 500 MHz“)

Obsazení (populace) obou energetických hladin téměř stejná (malý energetický rozdíl) – nadbytek jader na nižší hladině cca 10-5 Po excitaci návrat do základního energetického stavu – relaxace: spin mřížková spin – spinová

Vlastnosti izotopů často využívaných v NMR spektroskopii Jádro I  (MHz/T) Přírodní výsk. (%) f (MHz) B=11.7 T 1 H 1/2 42.577 99.98 500.00 57 Fe 1.376 2.19 16.16 2 H 1 6.535 0.015 76.75 77 Se 8.118 7.58 95.34 3 H 45.412 - 533.32 79 Br 3/2 10.667 50.54 125.27 11 B 13.659 80.42 160.42 81 Br 11.744 49.46 135.03 13 C 10.705 1.11 125.72 103 Rh -1.340 100.00 15.74 14 N 3.074 99.63 36.12 107 Ag -1.723 51.82 20.23 15 N -4.315 0.37 50.66 111 Cd -9.028 12.75 106.03 17O 5/2 -5.769 0.04 67.78 119 Sn -15.869 8.58 186.36 19 F 40.055 470.38 125 Te -13.452 6.99 157.98 29 Si -8.460 4.70 99.32 127 I 8.518 100.04 31 P 17.235 202.40 195 Pt 9.154 33.80 107.50 33 S 3.265 0.76 38.35 199 Hg 7.590 16.84 89.14 39 K 1.987 93.10 23.33 207 Pb 8.908 22.60 104.61

Chemický posun Izolovaná jádra jednoho druhu atomů by při použité hodnotě Bo poskytovala jeden signál. Ve skutečnosti obklopena elektronovým mrakem (různým podle okolí – počet e, typ vazby…)  sekundární mag. pole s opačným směrem než Bo  stínění jader proti Bo

Chemický posun Aktuální pole: ….stínící konstanta, hodnota podle jader. okolí (tj. chemické skupiny)

Chemický posun Hodnoty  řádově 107 Hz, u jednotlivých stíněných jader se liší v jednotkách Hz  vyjadřování chemického posunu  v ppm. Ne absolutní hodnoty, ale rozdíl proti standardu:

Standardy: pro 1H: tetrametylsilan, (CH3)4Si (TMS) - jedna intenzivní linie ekvivalentních H pro 13C: u roztoků v CDCl3 jeho prostřední linie

Přehled nejčastěji měřených jader – frekvence a rozsahy chemických posunů:

Přehled chemických posunů protonů Nejvíce stíněné protony: malé (+) i (-) hodnoty  (posun k vyššímu poli - upfield) Nejméně stíněné protony: velké hodnoty  (posun k nižšímu poli - downfield)

Informace dostupné z NMR spektra

Příklady: a) spektrum OH - CH2 – CH3 (v jednotlivých skupinách ekvivalentní jádra – stejné , ) integrální křivka: udává počet protonů v jednotlivých skupinách b) Vliv elektronegativity substituentů: s růstem posun  k nižšímu poli c) Vliv sterické zábrany: oddálení valenčních elektronů, posun  k nižšímu poli

Vliv aromatických kruhů: vznikají kruhové proudy, vytvářející sekundární mag. pole; různé hodnoty  pro protony nad a pod rovinou kruhů a pro protony mimo kruh

 pomocí hodnot  rozlišení stejného druhu jader v různých chemických skupinách, tj. strukturní analýza

Různé druhy jader: signály v jiných oblastech frekvence 13C (přírodní zastoupení 1%): hodnoty  až 102 , velké změny se strukturou 15N (přírodní zastoupení 0.37 %): hodnoty  až 102, závisejí na oxidačním čísle. Biochemické aplikace: 19F, 31P: podobné  čím těžší jádro, tím  citlivější na elektronové okolí, větší hodnoty

Multiplicita signálů Interakce jádra s jádry sousedních atomů (aktivních v NMR) zprostředkovaná valenčními elektrony Příklad: a) 2 neekvivalentní jádra stejného druhu s I = 1/2, žádná interakce: Každé jádro dvě hladiny energie, dva nezávislé přechody  ve spektru 2 signály b) 2 neekvivalentní vodíkové atomy vázané na atom uhlíku: interakce jaderných spinů přes dvě vazby   rozštěpení linie každého jádra na dvě linie (dublet).

Vzdálenost linií: interakční (coupling) konstanta J (v Hz). Hodnota J nezávisí na Bo ( závisí) Spektra 1. řádu: rozdíl  interagujících jader velký ve srovnání s J – dobře rozlišené linie Spektra vyšších řádů: malé rozdíly  - překrývající se signály

Hodnoty interakčních konstant: Počet vazeb Interagující jádra Interakční konst. (Hz) 2 1H - 1H 0 - 20 3 0 - 15 4 0 - 4 1 13C - 1H 120 - 250 0 - 50 0 - 10 31P - 1H 100 - 1200 5 - 15 0 - 30 19F - 1H 40 - 80 15N - 1H 0 - 100 0 - 8 119Sn - 1H 1400-1500 199 Hg-199 Hg ~150000

Interakce protonů s jádry 13C: v protonových spektrech slabé (většina aktivních 1H atomů vázána na neaktivní 12C) v uhlíkových spektrech silné (téměř každý 1H atom aktivní, vázán na aktivní 13C)

Interakce mezi jádry 13C: V uhlíkových spektrech nepozorovatelné (malé přírodní zastoupení izotopu) Při vyšším počtu interagujících jader: multiplicita signálu Interakce s jedním jádrem: dublet (intenzity 1:1) Interakce se dvěma jádry: podle hodnot jejich J – triplet (1:2:1), dublet dubletů (1:1:1:1), .. Interakce se třemi jádry: nejčastěji kvadruplet (intenzity 1:3:3:1), dublet tripletů, triplet dubletů, …obecně multiplet

Intenzita signálů Udávána relativně vůči ostatním signálům: n…počet ekvivalentních jader i…přírodní zastoupení jádra Plocha signálu (integrální intenzita) úměrná počtu chemicky ekvivalentních jader v molekule (jádra se stejným chemickým posunem, poskytující jeden signál); především u 1H NMR spekter  počet signálů v NMR spektru a jejich intenzita udávají informaci o počtu skupin chemicky ekvivalentních jader a o počtu jader v každé skupině

EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ Magnetické pole: supravodivé cívky (několik tisíc závitů) ponořené v kapalném He. Intenzita 4 – 18 T, stabilní, homogenní Vysokofrekvenční zdroj + cívka navinutá na kyvetu; střídavý proud o frekvenci v oblasti MHz. Cívka slouží také jako přijímací Kyveta: kapilára s průměrem několik mm, rotace pro dosažení homogenity pole v celém objemu vzorku Vzorek: v kapalném stavu

Přístroje: CW (continuous wave) NMR: Plynulá změna Bo nebo , při splnění rezonanční podmínky absorpce radiofrekvenčního záření. FT (Fourier transform) NMR: krátký rafiofrekvenční puls (několik s) s určitým rozsahem , současná excitace všech jader jednoho izotopu. Návrat do rovnovážného stavu sledován jako volné doznívání indukce (free induction decay, FID) – závislost intenzity proudu indukovaného ve snímací cívce na čase. Fourierovou transformací převeden v počítači na závislost intenzity na frekvenci, tj. na spektrum

FT (Fourier transform) NMR FID a jeho transformací získané spektrum Výhody: rychlost  možnost opakovat a sčítat měření  zvýšení citlivosti možnost manipulace se spinovými systémy a s populacemi na hladinách

Schéma NMR spektrometru

Vektorový model Popis NMR pomocí vektorového modelu Spiny jader o I = 1/2 orientovány ve směru nebo proti směru magnetického pole, svírají s ním určitý úhel a konají precesní pohyb s frekvencí odpovídající jejich rezonanční frekvenci. Kladný směr osy z: směr Bo Přebytek jader na nižší energet. hladině (nad rovinou xy) - celková magnetizace vzorku (vektorový součet  jednotlivých jader): směr osy z

Měření: 1. Jednodimenzionální techniky 2. Dvoudimenzionální techniky

APLIKACE Určování struktury látek, identifikace a charakterizace látek Kvantitativní analýza Měření pevných vzorků

Určování struktury látek, identifikace a charakterizace látek Struktura pomocí chemických posunů, multiplicity a intenzity signálů; často nutna kombinace různých spektrálních metod Potvrzení struktury syntetizovaných látek, nalezení nebo vyloučení přítomnosti ve směsích, skupinová analýza, určení poměru různých typů uhlovodíků

Kvantitativní analýza Porovnání se standardy (vykazujícími pokud možno jen jednu nebo dvě linie ve spektru); integrální intenzity

Měření pevných vzorků Problémy: a) anizotropie chemického posunu (v kapalinách v důsledku tepelného pohybu molekul zprůměrování stínění chemickým okolím); především v krystalickém stavu se hodnoty  jednoho jádra v různě orientovaných molekulách liší až v rozpětí několika set ppm  vznikající široké pásy znemožňující analýzu spektra b) dipolární interakce (přes prostor, ne po vazbách), kvadrupolární interakce c) dlouhé relaxační časy

NMR tomografie Informace o malých prostorových elementech objektu. Využití gradientů magnetického pole (speciální cívky vyvolávající lineární změnu magnetického pole ve směru některé osy). Kontrast mezi odezvou z normální a postižené tkáně