Rdihullmok mgnesek molekulk az NMR alkalmazsai Dombi Gyrgy

Rádióhullámok, mágnesek, molekulák: az NMR alkalmazásai Dombi György 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét

NMR 1. Mágneses Nuclear 2. Magrezonancia Magnetic 3. Spektroszkópia Resonance 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 2

Spektroszkópia (Látható) Fény kölcsönhatása az anyaggal (szín) Elektromágneses hullám és az anyag kölcsönhatása Frauenhofer (1814. ) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 3

Adszorpció 2007. III. 16. Emisszió 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 4

Mágneses magrezonancia Történet 1. Pauli (1924. ): Atommagoknak impulzusés így mágneses momentumuk van. Stern, Gerlach (1933. ) Magspin hatása molekulasugárra (eltérítési kísérlet). Gorter (1936. ) Sikertelen kísérlet atommagok mágneses térben való rezonanciájának detektálására. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 5

Mágneses magrezonancia Történet 2. Zavoisky (1941. ) Elektronspinrezonancia után sikertelen magrezonancia kísérlet Rabi (1939. ): Kísérleti igazolás: ionsugár mágneses térben egy oszcilláló mágneses segédtérrel - rezonancia. Bloch, Purcell (1945. ): Első igazi spektroszkópiai mérés (víz, paraffin 1 H jele) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 6

Magspin tulajdonságai Atommag: proton és neutron Tulajdonság: spin mágneses momentum Ellentétes spinek eredő nullává válik! Páros proton- és neutronszámú magok nem mérhetőek! (Izotóp számít!) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 7

Mérhető atommagok 1 H, 2 H, 3 He, 4 He, 12 C, 13 C, 14 N, 15 N 16 O, 17 O, 19 F, 23 Na, 31 P, stb. Érzékenység függ: - Mágneses momentum nagysága - Izotóp gyakorisága 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 8

Kvantált energiafelhasadás létrehozása A mágneses térben felhasadnak az energianívók. A rezonancia frekvenciája a térerősség függvénye. E |b> DE=konstans*B 0 |a> 2007. III. 16. DE=għB 0 g – giromágneses hányados [radian/s. T] 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 9

Elektromágneses frekvenciatartomány UV infravörös hul röntgen rádiófrekvencia (rf) mik ro gamma lám NMR spektroszkópia látható 800 MHz 100 MHz Hullámhossz (m) 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 100 102 104 Frekvencia (Hz) 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 Energia (e. V) 105 103 101 10 -3 10 -5 10 -7 10 -9 10 -11 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 10

Energiaviszonyok -Elektronspektroszkópia (UV és látható) ~100 -780 nm 700 nm 4, 3*1014 Hz -Infravörös spektroszkópia ~12. 300 -30 cm-1 3000 cm-1 9, 0*1013 Hz -Mikrohullámú spektroszkópia ~30 cm-1 alatt 30 cm-1 9, 9*1011 Hz -NMR spektroszkópia ~MHz 500 MHz 5, 0*108 Hz 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 11

Az energiakülönbségek következménye E mágneses tér jelenlétében E 2 E 1 UV 2007. III. 16. IR Micro 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét NMR 12

Az atommag viselkedése a mágneses térben Egyszerű kép: iránytű (mágneses dipól) mágneses térben való beállása (stabil/metastabil állapot) Leírja, hogy eredő z-irányú mágnesezettség keletkezik (mag paramágneses momentum) H 0 kikapcsolásával megszűnik: Spin-rács vagy longitudinális relaxáció – T 1 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 13

Larmor precesszió Spin (impulzusmomentum) és a mágneses tér (forgatónyomaték) miatt pörgettyű-szerű mozgás. z B 0 w 0 m y x 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 14

Rezonancia (Bloch-egyenlet) Ha – az elektromágneses sugárzás frekvenciája egyenlő a Larmor precesszió frekvenciájával, és – a forgó mágneses vektor merőleges a külső mágneses térre, akkor 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 15

Rezonancia (Bloch-egyenlet) A H 0 -ra merőleges síkban forgó mágeses vektor a forgó koordinátarendszerben statikus: e körül is – egy kisebb frekvenciájú - Larmor preceszszió jön létre rezonancia Sok mag esetén fáziskoherencia alakul ki: XY síkban mágnesezettség jelenik meg: detektálás relaxáció (transzverzális, spin-spin, T 2) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 16

Spin mozgása a mágneses térben [Álló koordinátarendszerben] – a mozgás „makroszkópikus” – a mozgás leírása egyszerűbb Larmor frekvenciával forgó koordinátarendszerben – az x-y síkú besugárzás időtartamától függően a mágneses vektor 90° - 180° - 270° - 360° stb. szögben fordítható – a relaxációs idők másodperces nagyságrendűek! 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 17

CW – FT CW: A mágneses tér vagy a besugárzó frekvencia folytonos változtatásával FT: Rf impulzus – spin echo (visszhang) detektálása, majd az időfüggvény Fourier sorbafejtése 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 18

f(t) FT F(w) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 19

Spektrum Kémiai szerkezetkutatás A jó spektrum feltétele: – erős, homogén, időben állandó mágneses tér: kis jelszélesség, nagy jelmagasság – nagy jel/zaj viszony: jó elektronika, több mérés akkumulációja (N½) – külső zajok csökkentése: mechanikai (rezgés) elektromos és mágneses zavarok kiküszöbölése – minta ne legyen paramágneses (ionok, oxigén!) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 20

Fizika Kémia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 21

Spektrumot meghatározó tényezők Adott mag rezonancia frekvenciája kismértékben függ az elektronszerkezettől (árnyékolás), azaz a kémiai környezettől: kémiai eltolódás. ( 10 -6) Adott mag jele felhasad a szomszédos mágneses magoktól: csatolás. ( 10 -8) Rezonanciafolyamat időbeli lefolyásától: relaxáció. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 22

Több Rf pulzus alkalmazása Az első Rf pulzust követően változó t 1 időpontban újabb pulzus (vagy pulzusok) következnek. Minden egyes t 1 időintervallumnál egy-egy spektrumot regisztrálunk. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 23

2 D Fourier transzformáció Második időváltozó szerint is peridókus függvényt kapunk. E szerint is FT. Két frekvencia dimenzió konnektivitás meghatározhatóvá válik. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 24

Codein spektruma Az egyes 1 H magok jelei egyszerűen hozzárendelhetők: H-5 H-3 H-10 OH H-10 H-9 H-3 H-16 H-11 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 25

Makromolekulák spektruma: átfedő jelek 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 26

Több dimenziós spektrum: szétválnak a jelek Humán UBIQUITIN 1 H spektruma és térszerkezete 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 27

Nagyfeloldású NMR Spektroszkópia feltétele 600 -900 MHz mellett 0, 3 Hz látható! Stabilitás, homogenitás: 3 * 10 -10 Megfelel annak, ha a Földről a Holdon a felszínt 1 cmes pontossággal szeretnénk mérni! [Föld – Hold távolság 400 000 km = 4 * 1010 cm. ] Mi történik, ha elrontjuk a homogenitást? A gradiensnek megfelelően széles jelek. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 28

Mágneses rezonancia leképezés Magnetic Resonance Imaging MRI Az atommag NMR frekvenciája térerősségfüggő: Adott jel frekvenciája Adott magnál a térerősség Gardiens helykoordináta 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 29

MRI elve 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 30

Röntgensugárzás abszorpciója Rendszám négyzetgyökével arányos az elnyelés: – szövetek (H, C, N, O) + csont (Ca), aranygyűrű 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 31

MRI képek 1 H térbeli eloszlása – víz – szerves molekulák Elvileg bármely NMR aktív mag mérhető. Gyakorlatban még: 3 He, 19 F, 31 P 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 32

Röntgen - MRI Röntgenfelvételen Ca (csont) eloszlás látszik MRI felvételen a lágy szövetek 3 D struktúrája és állaga jól megfigyelhető 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 33

T 1 relaxációval szűrt kép A besugárzás és a detektálás között eltelt idő alatt: – a kötött víz gyorsabban elveszti mágnesezettségét, – a szabad, sejt közötti víz relatív intenzívebb jelet adnak. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 34

További lehetőségek Relaxációk kihasználása Paramágneses „kontrasztanyagok” – Gd 2+ Gyors felvételi technikák: mozgó kép Funkcionális MRI (kémiai eltolódás) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 35

Előny - hátrány Előny: Kis energiájú Rf sugárzás (max 200 MHz) Lágy szöveti leképezés Hátrány: Mágneses tér (pace-maker, implantátum) Klausztrofóbia Drága (árnyékolás, He) 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 36

Spektrométerek Állandó - elektromágnes Az első kereskedelmi NMR készülék H = 1, 41 T, ν = 60 MHz Vízhűtéses mágnes H = 2, 1 T ν = 100 MHz 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 37

Szupravezető mágnesek 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 38

Mágnes szerkezete 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 39

Mérföldkövek – – atommag mágneses momentuma fizika molekulaszerkezettől függő rezonancia frekvencia (térrel arányos) és felhasadás (tértől független) csatolási topológia kémia szerkezetkutatás – 100 MHz (2, 35 T) felett szupravezető mágnes (22 T) és Rf pulzus – spin echo – FT méréstechnika: természetes előfor- dulású 13 C, 15 N, stb. magok mérhetősége – többpulzus kísérletek: többdimenziós spektroszkópia bio- lógiai makromolekulák szerkezetmeghatározása – gradiens spektroszkópia, MRI, MR-mikroszkópia 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 40

Nobel díjak (Fizika) Otto Stern (1943. ) "for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton" Isidor Isaac Rabi (1944. ) "for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei" Felix Bloch, Edward Mills Purcell (1952. ) "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 41

Nobel díjak (Kémia) Richard R. Ernst (1991. ) "for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy" Kurt Wütrich (2002. ) "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 42

Nobel díjak (Fiziológia) Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield (2003. ) "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging" 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 43

Ennyit röviden egy 50 éves múltú „mesterségesen” létrehozott atommagi energia-felhasadáson alapuló interdiszciplináris spektroszkópiai ágról, mely nemcsak a fizikát, de a kémiai szerkezetkutatást és az orvosi diagnosztikát is forradalmasította. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 44

Köszönöm fizika tanáraimnak azt, hogy megtanítottak arra a szemléletmódra, ami szükséges egy más tudományág területén a fizika alkalmazására. Önöknek meg köszönöm szíves figyelmüket. 2007. III. 16. 50. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét 45