NAJNOWSZE TRENDY W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ - METODY BADAŃ MATERIAŁÓW - JĄDROWY 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 10 400 10 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 60 10 Hz 6 2 ppm 300 MHz d 600Hz 0Hz 6 10 300 10 Hz 6 2ppm

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