Pracownia Spektroskopii Molekularnej Wydział Chemii UŁ Łódź, ul. Tamka 12. Akademia Ciekawej Chemii

Transkrypt

1 Do czego potrzebna jest spektroskopia? O drganiach, rezonansie i muzyce, czyli kilka słów na temat jądrowego rezonansu magnetycznego Dr Arkadiusz Kłys Pracownia Spektroskopii Molekularnej Wydział Chemii UŁ Łódź, ul. Tamka 12 Akademia Ciekawej Chemii

2 Do czego potrzebna jest spektroskopia? Co to jest spektroskopia? Termin spektroskopia obejmuje wszystkie metody badawcze, które badają oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią. Czasem terminem spektroskopia określa się techniki analityczne polegające na generowaniu i interpretacji widm. Spectro widmo Scopio patrzeć ogladać

3 Promieniowanie elektromagnetyczne

4 Podział metod spektroskopowych Spektroskopia gamma bada ilościowo widmo energetyczne próbek w zakresie promieniowania gamma. Widmo promieniowania gamma naturalnego uranu, ukazujące kilkanaście oddzielnych linii nałoŝonych na składowej ciągłej, pozwalające zidentyfikować nuklidy 226Ra, 214Pb, and 214Bi z uranowego szeregu promieniotwórczego. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

5 Spektroskopia rentgenowska X-Ray spectroscopy Rentgenografia strukturalna Stosowana w krystalografii celem ustalenia wymiarów i geometrii komórki elementarnej tworzącej daną sieć krystaliczną. W chemii metoda ta umoŝliwia dokładne ustalenie struktury związków chemicznych tworzących analizowane kryształy. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

6 Spektroskopia fotoelektronowa Photoelectronspectroscopy Wykorzystuje wysokoenergetyczne fotony o energii, rzędu 35 ev. Posiadające energię pozwalającą usuwać elektrony z powłok walencyjnych. Bada się energię wybitych elektronów. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

7 Spektroskopia UV-VIS VIS UV-VIS VISspectroscopy Spektroskopia elektronowa Jedna najstarszych technik badawczych, dawniej nazywana kolorymetrią techniki wchodzące w zakres to także metody chiralo optyczne takie jak ORD czy CD oraz techniki emisyjne takie jak spektrofluorymetria.

8 Spektroskopia UV-VIS VIS I Prawo absorbcjilamberta A=ab gdzie a=0,4343k a b= grubość warstwy II Prawo Lamberta-Beera A=abc Gdzie gdy c-mol/dm 3 to a=ε A=εbc i ε=a/bc III Prawo addytywności absorpcji A= A 1 +A 2 +A n ABS= log I o /I Znając charakterystyczny współczynnik ekstynkcji dla danej substancji w danym rozpuszczalniku możemy określić jej stężenie w dość szerokim zakresie. gdzie I o = ilość światła padającego I = ilość światła po przejściu przez ośrodek

9 Spektroskopia UV-VIS VIS Budowa spektrofotometru:

10 Spektroskopia UV-VIS VIS Koło barw a pochłaniana energia: Violet: nm Indigo: nm Blue: nm Green: nm Yellow: nm Orange: nm Red: nm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

11 Spektroskopia UV-VISVIS Metody chiralooptyczne ORD - Optical Rotatory Dispersion dyspersja skręcdalności optycznej CD - Circular Dichroism dichroizm kołowy Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

12 Spektroskopia UV-VISVIS Zastosowanie: -wyznaczanie molowego współczynnika ekstynkcji w celu charakteryzacji zwiazków - analiza ilościowa -analiza jakościowa czystość optyczna, jednorodność optyczna -trwałość kompleksów POKAZ Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

13 Spektroskopia w podczerwieni IR Spectroscopy Vibrationalspectroscopy Przy pomocy tej metody otrzymuje się do analizy widma oscylacyjne. Zakres stosowanego promieniowania od 4000 cm -1 do 1500 cm -1 to tzw. zakresem grup funkcyjnych od 1500 cm -1 do 600 cm -1 to tzw. zakresem daktyloskopowy Przykładowe zakresy absorbcji charakterystyczne dla grup funkcyjnych: - grupa OH od 3500 cm -1 do 2500 cm -1 - grupy -NH 2 lub NH (walencyjne) od 3400 cm -1 do 3200 cm -1 - wiązania C-H od 3300 cm -1 do 2970 cm -1 - grupa karbonylowa od 1825 cm -1 do 1600 cm -1 Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

14 Rodzaje obserwowanych drgań drgania walencyjne (rozciągające) symetryczne antysymetryczne drgania deformacyjne płaskie noŝycowe kołyszące drgania deformacyjne niepłaskie wachlarzowe skręcające

15 Widmo w podczerwieni acetofenonu 1 Acetofenon 0,9 0,8 0,7 Transmittance 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wavenumbers [1/cm]

16 Widmo w podczerwieni 1,1 o-nitroaniliny o - Nitroanilina 1 0,9 0,8 0,7 Transmittance 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wavenumbers [1/cm]

17 Rejestracja widm

18 Spektroskopia Ramana Komplementarna technika do spektroskopii IR. W odróżnieniu do niej próbka pobudzana jest promieniowaniem lasera. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

19

20 Spektroskopia Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego Technika ta pozwalającą na wykrycie związków posiadających niesparowane elektrony, czyli będące wolnymi rodnikami. W 1944 roku Jewgiennij Zawojski w swoich badaniach, po raz pierwszy zaobserwował absorpcję rezonansową w solach metali przejściowych. Stwierdził, Ŝe rezonansowa wartość pola jest proporcjonalna do częstotliwości pola mikrofalowego. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

21 Rys historyczny Pauli zaproponował obecności jądrowego momentu magnetycznego w celu wyjaśnienia struktury nadsubtelnej w liniach widmowych Nuklearny moment magnetyczny zarejestrowany przez Estermana w eksperymencie Sterna-Gerlacha Rabi i wsp. po raz pierwszy zaobserwowali zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego poprzez zastosowanie promieniowania o częstotliwości radiowej Purcell i wsp. z Harvardu ogłaszenie jądrowej absorpcji rezonansowej w wosku parafininowym. Bloch i wsp. z Stanfordu przeprowadzenie rezonansu jądrowego w ciekłej wodzie pierwsza obserwacja przesunięcia chemicznego Salomon, odkrycie jądrowego efektu Overhausera zastosowanie transformacji Furiera w NMR (techniki impulsowe) Jeener, Ernst wprowadzenie technik 2D NMR Kurt Wüthrich, pierwsza struktura białkowa ustalona na podstawie pomiarów NMR pierwsza struktura małej proteiny w ciele stałym

22 Nagrody Nobla Edward M. Purcell Felix Bloch Kurt Wuthrich Peter Mansfield

23 Pierwsze widmo etanolu zarejestrowane przy 30 MHz Współczesne widmo etanolu zarejestrowane na aparacie 700 MHz

24 Aparatura 40 MHz detekcja CW FT 950 MHz FT 1000 MHz Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

25 Co oznacza skrót N, M, R Właściwości jądra: - spin jądrowy (1/2, 3/2, 5/2, itp.) - jądrowy moment magnetyczny µ = γ I (h/2π) Właściwości jądra w polu magnetycznym: - precesja i częstotliwość Larmora ω=γ B 0 ν= ω /2 π = γ B 0 /2 π - jądrowy efekt Zeemana i rozkład Boltzmana P m=-1/2 / P m=+1/2 = e - DE/kT gdzie k= 1.381*10-28 JK -1 Co oznacza, Ŝe przy t = 298K i B = 2.35T m=-1/2: ; m=1/2 : Kiedy jądro zostanie umieszczone w prawidłowym polu magnetycznym i poddane działaniu odpowiedniego promieniowania o częstości radiowej to moŝemy powiedzieć, Ŝe zachodzi Jądrowy Magnetyczny Rezonans Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

26 W przypadku aparatów CW następuje generacja odpowiedniej częstotliwości i rejestracja w trybie ciągłym. Wady tej metody: -brak moŝliwości rejestracji wielokrotnej -niska czułość -długi czas zbierania pojedyńczego widma -niska częstotliwość robocza max 100 MHz Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

27 Spektrometr NMR z transformatą Fouriera

28 Zalety spektrometrów z FT -nieograniczona moŝliwość akumulacji widm -duŝa szybkość akumulacji pojedyńczego widma -moŝliwość rejestracji widm 1D i nd -moŝliwość rejestracji widm innych niŝ 1H z małych próbek <3mg -widma korelacyjne heterojądrowe -brak ograniczenia wielkości magnesu Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

29 Widmo 1H NMR i co z niego wynika Przesunięcie chemiczne Integracja Stałe sprzęŝenia Efekt NOE Relaksacja ppm Current Data Parameters NAME ak-313c EXPNO 13 PROCNO 1 F2 - Acquisition Parameters Date_ Time INSTRUM spect PROBHD 5 mm PABBO BB- PULPROG zg30 TD SOLVENT CDCl3 NS 16 DS 2 SWH Hz FIDRES Hz AQ sec RG 512 DW usec DE 8.50 usec TE K D sec TD0 1 ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 1H P usec PL db PL1W W SFO MHz F2 - Processing parameters SI SF MHz WDW no SSB 0 LB 0 Hz GB 0 PC ppm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

30 Przesunięcie chemiczne ν x(s) - ν x(w) δ = 10 6 ν NMR gdzie ν - odpowiednie częstości rezonansowe dla sygnału i wzorca Integracja czyli pole powierzchni pod krzywą absorbcyjną Mówi ile jąder wywołuje dany sygnał Stałe sprzęŝenia spinowo- spinowego Daje informacje o wzajemnych powiązaniach atomów w cząsteczce Efekt NOE informuje o oddziaływaniach poprzez przestrzeń Relaksacja informuje o dynamice obserwowanych cząstek

31 Widma NMR innych jąder takich jak: 13C, 31P, 19F, 15N, 11B

32 Widma NMR innych jąder takich jak: 13C, 31P, 19F, 15N, 11B Current Data Parameters NAME ak-313c EXPNO 11 PROCNO ppm 24 ppm F2 - Acquisition Parameters Date_ Time INSTRUM spect PROBHD 5 mm PABBO BB- PULPROG zg30 TD SOLVENT CDCl3 NS 128 DS 4 SWH Hz FIDRES Hz AQ sec RG 2050 DW usec DE 8.50 usec TE K D sec TD0 1 ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 31P P usec PL db PL1W W SFO MHz F2 - Processing parameters SI SF MHz WDW EM SSB 0 LB 1.00 Hz GB 0 PC ppm

33 Widma 2D homojądrowe COSY, NOESY Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

34 Widma 2D homojądrowe COSY, NOESY ppm Current Data Parameters NAME akfamrmbr30 EXPNO 15 PROCNO 1 F2 - Acquisition Parameters Date_ Time INSTRUM spect PROBHD 5 mm TBI 1H/31 PULPROG noesyph TD 2048 SOLVENT DMSO NS 16 DS 4 SWH Hz FIDRES Hz AQ sec RG 22.6 DW usec DE 8.50 usec TE K D sec D sec D sec IN sec ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 1H P usec PL db PL1W W SFO MHz F1 - Acquisition parameters TD 256 SFO MHz FIDRES Hz SW ppm FnMODE States-TPPI F2 - Processing parameters SI 1024 SF MHz WDW QSINE SSB 2 LB 0 Hz GB 0 PC 1.00 F1 - Processing parameters SI 1024 MC2 States-TPPI SF MHz WDW SSB 2 LB 0 Hz GB ppm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii

35 Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

36 Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

37 Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

38 Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

39 Inne zastosowania BIOCHEMIA Ustalenie struktury III rzędowej białek

40 Inne zastosowania BIOCHEMIA Proteina prionowa ustalona na podstawie badań NMR (niemoŝliwe do ustalenia za pomocą X-Ray

41 Inne zastosowania BIOCHEMIA Struktura rybozomu otrzymana przy pomocy X- Ray (niemoŝliwe do ustalenia za pomocą NMR)

42 Inne zastosowania MEDYCYNA Przekroje ludzkiego mózgu otrzymane techniką MRI gif

43 Inne zastosowania MEDYCYNA Aparat MRI i obraz na ekranie monitora

44