JÄ drowy 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.

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)
Historia NMR
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 13 C, 15 N
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),
Purcell (Harvard)
(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)
(metody NMR, umożliwiające badanie 3D struktury makrocząsteczek w roztworach –
Białka, kwasy nukleinowe).
2003 Medycyna Lauterbur (Urbana),
Mansfield (Nottingham)
(wykorzystanie rezonansu magnetycznego w medycynie)
Bloch
Purcell
Ernst Wüthrich
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
P
I( I 1)
m gP
m
g
I( I 1)
Tylko jądra z liczbą spinową I≠0 mogą być obserwowane w NMR
C
A
Z
13
6C
L.m. L.a. I
p p 0
n p/n 1/2, 3/2, 5/2,…
p n 1, 2, 3
( 12 C, 16 O są „niewidzialne” w NMR!)
( 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P)
( 2 H, 14 N)
Są „widzialne”

Podstawy NMR – właściwości wybranych jąder
Izotop Spin „Występowanie” [%] Względna czułość g [10 7 radT -1 s -1 ]
1
H ½ 99.985 1.00 26.7519
2
H 1 0.015 9.62*10 -3 4.1066
12
C 0 98.9 - -
13
C ½ 1.108 1.59*10 -2 6.7283
16
O 0 99.96 - -
19
F ½ 100 0.83 25.1815
31
P 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 (B o ),
orientują się zgodnie z
kierunkiem lub w kierunku
przeciwnym do linii pola
magnetycznego (odpowiednio,
stan o niższej i o wyższej energii)
B o

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)
B o
wyższa E
DE = g ħ B o = hn
m = +½
antyrównoległa
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 B 0

Podstawy NMR
Graficzna zależność pomiędzy natężeniem pola magnetycznego a
częstotliwością promieniowania absorbowaną przez protony ( 1 H NMR)
DE = g ħ B o
(wyższa energia)
E
DE dla 1 H przy 300 MHz
DE dla 1 H przy 500 MHz
(niższa energia)
0 T
7.05 T 11.75 T
B o

Podstawy NMR
Układ składający się z wielu spinów
m = +½
wyższa E
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(-ghB o /2pkT)
niższa E N -
m = -½
Dla 1 H przy 60 MHz N - /N + = 1,000 010
Dla 1 H przy 300 MHz N - /N + = 1,000 050
Dla 1 H 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:
w o = gB o
Częstość precesji (częstość Larmor’a):
n = gB o /2p

Podstawy NMR
Pojedynczy spin
z
B o
m
q
y
x
Układ wielu spinów
z
B o
M
y
x
Wektor magnetyzacji M

Podstawy NMR
Efekt rezonansu
z
Promieniowanie o częstości Larmor’a
powoduje przejście nadmiaru spinów ze stanu
podstawowego w stan wzbudzony
B o
M
x
W stanie równowagi
y
x
z
90 x ° impuls
y
DE hn 1
n
L
n
z
1
g
2p
B
0
B 1
Impuls RF wzdłuż osi „x”
generuje pole magnetyczne B 1
x
Precesja w płaszczyźnie xy indukuje sygnał w
cewce odbiornika umieszczonej wzdłuź osi „y”
y

Detekcja sygnału NMR – FID
Zanik swobodnej precesji FID (free induction decay) jest wynikiem
zmian zachodzących w płaszczyźnie M xy .
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’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
T 1 charakteryzuje
szybkość odtwarzania się
magnetyzacji podłużnej
T 2 charakteryzuje
szybkość zaniku
magnetyzacji poprzecznej
T 2 relaxation

Spektrometr NMR

Spektrometry NMR
Wczoraj…
i dzisiaj…

Spektrometria NMR na Wydziale Chemii UG
Dzisiaj…
i jutro…
400 MHz

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
1 H NMR widmo wody
Bloch, F.; Hansen, W. W.; Packard, M. The nuclear
induction experiment. Physical Review (1946), 70 474-85.

Historia NMR – pierwsze widma
Pierwsze zarejestrowane przesunięcie chemiczne
1 H NMR widmo etanolu
Arnold, J.T., S.S. Dharmatti, and M.E. Packard, J. Chem. Phys., 1951. 19: p. 507.
Widmo etanolu 40 lat później

1
H 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
B eff < B o
B eff = B o - B loc
B eff = B o (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 CH 3
Typ związku d [ppm]
CH 3 -Al -0.30
CH 3 -Si 0.00
CH 3 -C 0.90
CH 3 -N 2.25
CH 3 -O 3.35
CH 3 -F 4.26

Przesunięcie chemiczne

Przesunięcie chemiczne
d
d
n
X
n
wzorca
n
420 0Hz
6
10
40010
Hz
podstawowa_
spectrometeru
6
10
6
1,05ppm
[ppm]
(parts per milion
– części na milion)
Tetrametylosilan (TMS) jako wzorzec
d (TMS) = 0 Hz (ppm)

Przesunięcie chemiczne - ten sam związek
Przykładowo sygnał 2 ppm zarejestrowany przy:
60 MHz
120Hz
0Hz
6
d
10
6010
Hz
6
2 ppm
300 MHz
d
600Hz
0Hz
6
10
30010
Hz
6
2ppm

Przesunięcie chemiczne
Przykładowo sygnał 600 Hz zarejestrowany przy:
60 MHz
d
600Hz
0Hz
6
10
6010
Hz
6
10 ppm
300 MHz
d
600Hz
0Hz
6
10
30010
Hz
6
2ppm

Uśrednione zakresy przesunięć chemicznych dla 1 H

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 H A

B 0
Multipletowość – dublet
(1 sąsiedni proton)

Multipletowość – triplet (2 sąsiednie protony)
B 0

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
3 3
1 2 1
1 3 3 1
3 przyłączone jądra
1 4 6 4 1
1 J 1
1 5 10 10 5 1
J J
1 6 15 20 15 6 1
1 7 21 35 35 21 7 1
Trójkąt Pascala
Kwartet
singlet 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
H
J = 2 - 6 Hz
H
J = 5 - 14 Hz
H
konformacja
synklinalna
H
konformacja
antyperiplanarna
J = 2 - 15 Hz
H
C
C
H
H
J = 0 - 7 Hz
C
H
C
H
J = 2 - 13 Hz
J = 10 - 21 Hz

Informacje uzyskiwane z widm 1 H NMR
Parametr
Nazwa
Informacje
Liczba sygnałów - Liczba grup protonów
Intensywność sygnałów Integracja Stosunek liczby protonów
Pozycja sygnału
Rozszczepienie sygnałów
Przesunięcie chemiczne (d) Otoczenie chemiczne
Stała sprzężenia (J) [Hz] Kąty dwuścienne
Multipletowość
Liczba „sąsiednich jąder”
Kształt sygnałów Szerokość połówkowa Ruchy wewnątrzcząsteczkowe,
wymiana chemiczna

Widmo 1 H octanu etylu
H 3 C
O
C
O
H AHA
H X
H X
H X
3
J AX 3
J AX
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
2.0 3.0 3.0

H 3 C
CH 3
C
OH
CH 3
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1.0 9.0

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH
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
1.0
0.8
2.0 1.0 2.1 1.9 3.0

Określanie składu mieszaniny (czystości)
CH 2 OH
H 3 C
C
O
O CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
(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
2.6
2.0
1.4
3.0 2.1 2.3
3.0
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

Spektroskopia 13 C NMR
I ( 1 H) = ½ I ( 12 C) = 0 I ( 13 C) = ½
99.98 % 98,9 % 1,1%
g( 1 H) 25,75 g( 13 C) 6,73
DE (ghB 0 )/2p
naturalna zawartość 13 C w przyrodzie – 1.1%
CZUŁOŚĆ 13 C = 1/5600 CZUŁOŚĆ 1 H
Więcej próbki do pomiarów
Dłuższe pomiary

Widma 13 C NMR

Przesunięcia chemiczne 1 H i 13 C 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 T 1 ,
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.