Meditsiiniline Keemia

Analüütiline keemia, Instrumentaalanalüüs

Tuumamagnetresonants,Magnetresonants tomograafia,Elektronide paramagneetiline

resonants

15. Detsember 2008

Eva-Ingrid Rõõm

2

Tuumamagnetresonants (NMR)

• Tugevas magnetväljas olevad aatomituumad võivad neelata raadiosagedulikku elektromagnetkiirgust.

• Neelatava kiirguse sagedus sõltub magnetvälja suunast ja tugevusest, aatomituumast ja seda ümbritsevatest aatomitest.

AATOMITUUMAntud meetodis on olulised tuumas olevad prootonid, meetod on kasutatav ainult olukorras, kus prootoneid on paaritu arv.

MAGNETVÄLIMõõtmise põhimõtteks on prootonite mõjutamine magnetväljs

RESONANTSVäline perioodiline mõjutus, mille tulemusel süsteemi mingi omadus (antud juhul aato-mituumade paigutus magnetväljas) muu-tub väga tugevalt

3

Tuuma spinn• Et kõik algusest peale ausalt ära rääkida, tuleb

alustada tuuma spinnist.• Meeldetuletuseks: ka elektronidel on spinn.

Lihtsustatult iseloomustab see elektroni asendit magnetväljas pöörlemisel ümber oma telje. Mäletatatvasti pidid ühel orbitalil astetsevad elektronid olema vastupidiste spinnidega (spinnkvantarvu nurgamomendi väärtused on vastavalt ½ ja –½).

• Tuuma spinni iseloomustab spinnkvantarv I ja selle nurgamoment p.

p = I, I-1, I-2, …, -I• Meie poolt vaadeldavatel aatomituumadel on I

väärtusteks ½ ja p väärtused seega ½ ja –½.• NMRis enim rakendust leidnud tuumadeks on

1H, 13C, 19F, 31P ja 15N.

4

Isotoobi sisaldusIsotoop Isotoobi

sisaldus %I Suhteline

(EML kiirgus) tundlikkus

, 108 rad/(T*s)

Neeldumis-sagedus, MHz (B=4.69 T)

1H 99.99 1/2 1.00 2.675 20013C 1.07 1/2 0.016 0.673 50.3015N 0.37 1/2 0.00000385 -0.271 20.331P 100 1/2 0.066 1.084 81.0519F 100 1/2 0.83 2.518 188.25• Sellised, spinniga ja laenguga tuumad tekitavad

magnetvälja, mille magnetmoment avaldub = p

on grüomagneetiline suhe ja näitab kui tugevalt magneetiliste omadustega on antud tuum.

5

Tugevas magnetväljas...• ...on aatomituumade potensiaalne energia

erinev vastavalt nende orientatsioonile välise magnetvälja suhtes.

• Magnetväljaga päri- ja vastaassuunaliselt orienteeritud tuumade energiate vahe on

h – Plancki konstant ja B0 – välise magnetvälja tugevus.

• Seega antud madalama energiaga aatomituum võib üle minna kõrgemale energianivoole, kui ta neelab vastava koguse energiat. Teades, et osakese ergastumiseks vajaliku kvandi energia peab võrduma energianivoode vahega, ja avaldades kvandi energia

E = h, saame

02B

hE

2

0B

Bo

Pöörlev osake

Joonis 1.

Pretsessiooni trajektoor

6

Osakeste jaotus energianivoodel

• Et NMR oleks rakendatav peab aatomituumade jaotus energianivoodel olema ebavõrdne.

• Osakeste jaotus madalama ja kõrgema energianivoo vahel sõltub nende krüomagneetilisest suhtest ja välise magnetvälja tugevusest:

Nk ja Nm – osakeste arv kõrgemal ja madalamal energianvool.

• Näiteks kui B0=4.69T, siis vesiniku tuumade korral on 1000000 kõrgema nivoo osakese kohta 1000033 madalama nivoo osakest.

• Vahe on 33 ppm (osakest miljoni osakese kohta), seega on mõõdetav signaal väga nõrk.

010 BceN

N Bc

m

k

7

FT NMR põhimõte• Tänapäeval kasutatakse parema signaali saamiseks

Fourier’ teisenduega NMR meetodeid.

• Meetodi põhimõtteks on tugevas magnetväljas (B0) olevate aatomituumade perioodiline mõjutamine lühikeste raadiosageduslike impulssidega (1-10 s), mis tekitavad esialgse magnetväljaga risti oleva lisamagnetvälja (B1).

• B1 toimel orienteeruvad tuumad magnetväljas ümber

• Peale impulsi lõppemist lähevad tuumad teatud aja jooksul tagasi algolekusse – relakseeruvad

• Relakseerumise tulemusel tuumade poolt tekitatav magnetväli muutub

8

x-y tasapinnal toimuv relakseerumine

Peale B1 impulsi lõppu on tuumad esialgselt ühes suumas orjenteeritud.

Aja jooksul nende orientatsioonid ruumis ühtlustuvad ümbritseva magnetvälja mõjul.

9

z-teljel toimuv relakseeruminePeale B1 impulsi lõppu on osa tuumadest vahetanud orjentatsiooni magnetvälja B0 suhtes (mis on paralleelne z-teljega).

Aja jooksul nende esialgne orientatsioon taastub ümbritseva magnetvälja mõjul.

10

FT NMR põhimõte

Aeg, s Sagedus, 102 Hz

• Mõõdetakse B1–ga samas suunas relakseerumise tulemusel toimuvat magnetvälja muutust ajas

• Parema signaali saamiseks antud mõõtmist korratakse ja saadud tulemused liidetakse (paraneb signaal-müra suhe)

• Saadud summaarse aja-spektriga tehakse Fourier’ teisendus, mille tulemusel saadakse sagedusspekter

• Iga aatomituuma poolt tekitatav sageduslik signaal sõltub teda ümritsevast lokaalsest magnetväljast, mis on erinev olenevalt keskkonnast ja aatomi paigutusest molekulis

11

Aatomituuma signaal spektris (H)

• Ühe tuuma poolt tekitatav signaal asetseb sagedusskaalal vastavalt tema keemilisele nihkele

• Ühe tuuma signaal võib lõhestuda mitmeks osaks vastavalt spin-spin multipletsusele J

Triplett=5.77

Dublett=3.95

J

Cl2CH-CH2Cl

12

Keemiline nihe• Keemiline nihe sõltub

– tuuma varjestatusest teda ümbritsevate elektronide poolt

– keemiliste sidemete iseloomust antud tuuma, tema naabertuuma ja selle naabertuumade vahel

• VARJESTUS toimub elektronide tiirlemise tulemsusel, kuna suunatud laetud osakeste liikumine tekitab magnetvälja. Tekkiv magnetväli võib olla tuuma jaoks välist magnetvälja nõrgestava toimega.

• Kuna aatomid on molekulis seotud keemiliste sidemete (ühiste elektronpaaride) abil, sõltub varjestatus ka naaberaatomite iseloomust: mida elektronegatiivsem on naaberaatom, seda tugevamini ta tõmbab elektrone enda poole ja seda väiksem on elektronide poolt tekitatav varjestatus uuritavale aatomile ja seda suurem keemiline nihe.

• Aatomi läheduses leiduvates kaksiksidemetes või kolmiksidemetes osalevad -elektronid võivad tekitada välise magnetvälja mõjul ringvoolu, mis omakorda tekitab magnetvälja. Tekkiv magnetväli suurendab keemilist nihet.

=5.77 =3.95

Cl2CH-CH2Cl

13

Spin-spin multipletsus• Iga aatomituuma poolt tekitatavate piikide arv sõltub

naaberaatomitega seotud vesinike arvust• Vesinikud naaberaatomis võivad olla magnetväljas

samasuunaliselt või vastassuunaliselt orienteeritud• Vastav jaotus on statistiline ja tekitabki signaali lõhenemise

Triplett=5.77

Dublett=3.95

J

Cl2CH-CH2ClCl2CH-CH2Cl

Koguspinn -1 0 1 -1/2 1/2Piigi suhteline 1 2 1 1 1intensiivsus

14

Struktuuri määramine NMR-ga

• Struktuuri määramine on peamine NMR rakendusvald-kond instrumentaalanalüüsis

• Lisaks 1H spektritele on analoogilised meetodid välja töötatud ka 13C, 19F, 31P ja 15N spektrite tõlgendamiseks

• Eelduseks molekulide struktuuri tuvastamisel on üldjuhul brutovalemi tundmine

• Teades erinevatele aatomitele ja nende naabrusastmele vastavaid keemilisi nihked ning naaberaatomite küljes olevatest vesinikest tulenevat multipletsust, võime määrata ka keeruliste molekulde keemilisi struktuure

• Kasutatakse ka andmebaase juba teadaolevate ainete spektritega

15

MR tomograafia (MRI)• MRI kasutab ära keha erinevates kudedes oleva vee

hulga erinevuse ja saab selle tulemusena kolmemõõtmelisi kuju-tisi keha sees olevatest elunditest

• Põhimõtteliselt on tegemist 1H isotoobi hulga mõõtmisega erinevates ruumipunktides

• Tasapinnalise ruumilahutuse saamiseks varieeritakse magnetvälja tugevust – I impulsiga x-telje suunas ja saadakse erinev spinn-

orjentatsioon magnetvälja suhtes ja – II impulsiga y-telje suunas ning saadakse erinev

spinni pretsessiooni kiirus• Seega saadakse iga tasapinna punkti kohta veidi

erinevad signaalid, mille intensiivsus sõltub 1H hulgast • Erinevate tasapindade järjestamisel saadakse ruumiline

kujutis

16Kahemõõtmelise kujutise tekitamine

MR tomograafia (MRI)Välja tugevus suureneb

suundades ja

I magnetvälja gradient x-telje suunas

II mag

netv

älja

gra

die

nt y

-telje

su

un

as

17

MR tomograafia (MRI)

Kahemõõtmeline ja kolmemõõtmeline kujutis

18

Elektron paramagneetiline resonants• EPR on NMR-iga analoogne meetod.

• Ka elektronidel on magnetväljas kaks võimaliku spinnolekut (spinnkvantarvu nurgamomendi väärtused on vastavalt ½ ja –½).

• Mõõdetakse paardumata eletronide poolt tekitatavat ajas kustuvat signaali, mis tuleneb elektroni üleminekust ühest spinnolekust teise.

• Molekulis toimib paardumata elektroni spinn-spinn vastasmõju nii teiste paardumata elektronidega (kui neid on) kui ka aatomituumade spinnidega ja see põhjustab tema signaali lõhenemist sarnaselt lõhenemisega TMR spektrites.

• EPR on leidnud rakenduse ka bioloogiliste protsesside ja objektide uurimisel, kuna paljude biokeemiliste protsesside käigus moodustuvad vabad radikaalid või metallproteiinid (nagu hemoglobiinis).

19

Kirjandus• PRINCIPLES OF INSTRUMENTAL

ANALYSISSkoog D.A., Leary J.J. Fourth edition,

Saunders College 1992Skoog D.A., Holler F.J., Nieman T.A. Fifth

edition, Harcourt Brace 1998

• Analüütilise keemia loengumaterjalid:

http://tera.chem.ut.ee/~ivo/ak2/ak2_ms.pdf