Pracownia Spektroskopii Molekularnej Wydział Chemii UŁ 91-403 Łódź, ul. Tamka 12. Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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 91-403 Łódź, ul. Tamka 12 Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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

Promieniowanie elektromagnetyczne

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. http://pl.wikipedia.org/wiki/spektroskopia_gamma Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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 18.01.2012

Spektroskopia fotoelektronowa Photoelectronspectroscopy Wykorzystuje wysokoenergetyczne fotony o energii, rzędu 35 ev. Posiadające energię pozwalającą usuwać elektrony z powłok walencyjnych. Bada się energię wybitych elektronów. http://www.pes.arizona.edu/facility/aboutpes.htm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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.

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

Spektroskopia UV-VIS VIS Budowa spektrofotometru:

Spektroskopia UV-VIS VIS Koło barw a pochłaniana energia: Violet: 400-420 nm Indigo: 420-440 nm Blue: 440-490 nm Green: 490-570 nm Yellow: 570-585 nm Orange: 585-620 nm Red: 620-780 nm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

Spektroskopia UV-VISVIS Metody chiralooptyczne ORD - Optical Rotatory Dispersion dyspersja skręcdalności optycznej CD - Circular Dichroism dichroizm kołowy Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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 18.01.2012

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 18.01.2012

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

Widmo w podczerwieni acetofenonu 1 Acetofenon 0,9 0,8 0,7 Transmittance 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers [1/cm]

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 0,1 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers [1/cm]

Rejestracja widm

Spektroskopia Ramana Komplementarna technika do spektroskopii IR. W odróżnieniu do niej próbka pobudzana jest promieniowaniem lasera. Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/epr_spectometer.jpg Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

Rys historyczny 1924 - Pauli zaproponował obecności jądrowego momentu magnetycznego w celu wyjaśnienia struktury nadsubtelnej w liniach widmowych. 1930 - Nuklearny moment magnetyczny zarejestrowany przez Estermana w eksperymencie Sterna-Gerlacha. 1939 - Rabi i wsp. po raz pierwszy zaobserwowali zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego poprzez zastosowanie promieniowania o częstotliwości radiowej. 1946 - Purcell i wsp. z Harvardu ogłaszenie jądrowej absorpcji rezonansowej w wosku parafininowym. Bloch i wsp. z Stanfordu przeprowadzenie rezonansu jądrowego w ciekłej wodzie. 1949 - pierwsza obserwacja przesunięcia chemicznego. 1955 - Salomon, odkrycie jądrowego efektu Overhausera. 1966 - zastosowanie transformacji Furiera w NMR (techniki impulsowe) 1975 - Jeener, Ernst wprowadzenie technik 2D NMR 1985 - Kurt Wüthrich, pierwsza struktura białkowa ustalona na podstawie pomiarów NMR 2003 - pierwsza struktura małej proteiny w ciele stałym

Nagrody Nobla 1942 1952 1952 Edward M. Purcell Felix Bloch 1992 2002 2003 2003 Kurt Wuthrich Peter Mansfield

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

Aparatura 40 MHz detekcja CW FT 950 MHz FT 1000 MHz Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

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: 0.4999959 ; m=1/2 : 0.5000041 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 18.01.2012

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 18.01.2012

Spektrometr NMR z transformatą Fouriera

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 18.01.2012

Widmo 1H NMR i co z niego wynika Przesunięcie chemiczne Integracja Stałe sprzęŝenia Efekt NOE Relaksacja 8.155 8.142 7.260 8.155 8.142 8.4 8.3 8.2 8.1 8.0 ppm 4.598 4.542 4.532 4.524 4.520 4.513 4.459 4.454 4.448 4.442 4.394 4.339 3.664 3.608 2.163 2.134 2.047 1.304 1.292 1.280 1.240 1.228 1.217 Current Data Parameters NAME ak-313c EXPNO 13 PROCNO 1 F2 - Acquisition Parameters Date_ 20110610 Time 23.06 INSTRUM spect PROBHD 5 mm PABBO BB- PULPROG zg30 TD 65536 SOLVENT CDCl3 NS 16 DS 2 SWH 12335.526 Hz FIDRES 0.188225 Hz AQ 2.6564426 sec RG 512 DW 40.533 usec DE 8.50 usec TE 302.9 K D1 1.00000000 sec TD0 1 ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 1H P1 9.40 usec PL1-3.00 db PL1W 30.57242203 W SFO1 600.2637069 MHz F2 - Processing parameters SI 32768 SF 600.2600175 MHz WDW no SSB 0 LB 0 Hz GB 0 PC 1.00 8.5 8.0 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 ppm 1.00 6.60 1.03 Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012 6.46 6.42 3.95 3.65

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

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

Widma NMR innych jąder takich jak: 13C, 31P, 19F, 15N, 11B 46.81 46.66 23.47 23.33 23.19 Current Data Parameters NAME ak-313c EXPNO 11 PROCNO 1 48 47 ppm 24 ppm F2 - Acquisition Parameters Date_ 20110610 Time 19.44 INSTRUM spect PROBHD 5 mm PABBO BB- PULPROG zg30 TD 65536 SOLVENT CDCl3 NS 128 DS 4 SWH 96153.844 Hz FIDRES 1.467191 Hz AQ 0.3408372 sec RG 2050 DW 5.200 usec DE 8.50 usec TE 302.3 K D1 2.00000000 sec TD0 1 ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 31P P1 13.70 usec PL1 0.40 db PL1W 69.18420410 W SFO1 242.9775524 MHz F2 - Processing parameters SI 32768 SF 242.9897020 MHz WDW EM SSB 0 LB 1.00 Hz GB 0 PC 1.40 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 ppm

Widma 2D homojądrowe COSY, NOESY Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

Widma 2D homojądrowe COSY, NOESY ppm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Current Data Parameters NAME akfamrmbr30 EXPNO 15 PROCNO 1 F2 - Acquisition Parameters Date_ 20110806 Time 16.07 INSTRUM spect PROBHD 5 mm TBI 1H/31 PULPROG noesyph TD 2048 SOLVENT DMSO NS 16 DS 4 SWH 6329.114 Hz FIDRES 3.090388 Hz AQ 0.1618420 sec RG 22.6 DW 79.000 usec DE 8.50 usec TE 299.8 K D0 0.00006633 sec D1 2.00532508 sec D8 0.30000001 sec IN0 0.00015800 sec ======== CHANNEL f1 ======== NUC1 1H P1 9.95 usec PL1 1.00 db PL1W 12.17109966 W SFO1 600.2631837 MHz F1 - Acquisition parameters TD 256 SFO1 600.2632 MHz FIDRES 24.723101 Hz SW 10.544 ppm FnMODE States-TPPI F2 - Processing parameters SI 1024 SF 600.2600000 MHz WDW QSINE SSB 2 LB 0 Hz GB 0 PC 1.00 F1 - Processing parameters SI 1024 MC2 States-TPPI SF 600.2600000 MHz WDW SSB 2 LB 0 Hz GB 0 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ppm Dr Arkadiusz Kłys, Akademia Ciekawej Chemii 18.01.2012

Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

Widma 2D heterojądrowe HMQC, HMBC, HSQC

Inne zastosowania BIOCHEMIA Ustalenie struktury III rzędowej białek

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

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

Inne zastosowania MEDYCYNA Przekroje ludzkiego mózgu otrzymane techniką MRI http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/72/brain_chrischan_ 300.gif

Inne zastosowania MEDYCYNA Aparat MRI i obraz na ekranie monitora