Tuumamagnetresonants spektroskoopia (TMRS)

1. Tuumamagnetresonants spektroskoopia (TMRS)

2. Magnetväli • Magnetväli on füüsikaline termin, mis viitab suunatud jõuväljale ning avaldab mõju liikuvatele elektrilaengutele ning püsimagnetitele • Püsimagneti tekke põhjuseks on elektronide olemuslik magnetväli. • Maakera püsimagnetväli on seotud maakoore elektrivooluga. • Maakera magnetväli on umbes 0.035 – 0.070 mT. Mõned loomaliigid kasutavad seda migreerumiseks ja orienteerumiseks. • Inimtegevuse tulemusena tekib magnetväli alati kui genereeritakse alalisvool • Inimtegevuse tekitatud magnetväli võib olla kuni 60 mT • Ülijuhtide loomisega tekkis võimalus luua veel palju võimsamaid magneteid.

3. Mis on TMR? • TMR on nähtus, mis juhtub kui asetame teatud omadustega tuumad staatilisse magnetvälja ja rakendame neile, siis veel teise ostsilleeriva magnetvälja. • Mõned tuumad alluvad sellele nähtusele ja teised ei allu. • Kui tuumal on nullist erinev spinn, siis tuum „kogeb“ TMR nähtust. • Lihtsaim tuum – vesiniku (H1) tuum allub TMR nähtusele. • TMR uuringud on tihedalt seotud vesiniku aatomiga.

4. Mis on TMRS? • Spektroskoopia on teadus mis uurib elektromagneetilise kiirguse interaktsioone ainega. • TMR spektroskoopia on uurimisharu, mis uurib aine füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi omadusi TMR nähtuse kaudu. • TMR kaudu uuritakse nii vedelas kui tahkes olekus olevate ainete keemilist struktuuri, reaktsioonide dünaamikat ja isegi dissotsiatsioonikonstante. • Üks võimsamaid (või ka kõige võimsam) meetodeid orgaaniliste ainete keemilise struktuuri uurimiseks. • Tuumad, mida sagedamini uuritakse on 1H ja 13C, aga uurida saab ka 113Cd, 15N, 17O, 29Si, 11B, 35Cl, 195Pt 31P, 23Na19F

5. Kasutatavad ühikud • Aeg (s) • Nurgad on kraadides (o) ja radiaanides (rad). 360o on 2 radiaani. • Temperatuur (K) 273,15 K = 0 ºC. • Magnetvälja tugevust (B)mõõdetakse teslades (T). • (Maa magnetväli (Rochesteris, New York) on umbes 5x10-5 T) • Energia (E) ühikuks on dzaul (J). • Sagedust mõõdetakse tsüklite arv/s või radiaanide arv/s. • Kui mõõdetakse tsüklite arvu ajas (Hz), siis kasutatakse tähisena νvõi f ja ühikuna pöördsekundeid (s-1). • Kui sagedust mõõdetakse radiaanides ajaühiku kohta (rad/s), siis tähisena kasutatakse sümbolit ω. • Võimsus on ajas kulutatud energiahulk, mille ühikuks on watt (W).

6. Tuuma spinn • Spinn on osakese fundamentaalne omadus – nagu mass või laeng. • Spinn võib olla positiivne või negatiivne ning ta väärtus on kas ½ või mõni selle kordne. • Nii prootonid, neutronid kui elektronid omavad spinni. Vaadeldes individuaalseid nimetatud osakesi, on kõigil spinn ½. • N: deuteeriumi aatomit ( 2H ). Seal on üks paardumata elektron, üks paardumata prooton ja üks paardumata neutron. Summaarne elektroni spinn on ½ ja summaarne tuumaspinn on 1. • Kui meil on 2 osakest millede spinnide absoluutväärtus on võrdne, aga vastasmärgiline, siis spinni omadused osakesel ei ilmne (N: He) • TMR seisukohalt pakuvad huvi ainult n.ö. paardumata spinniga tuumad.

7. Spinn välises magnetväljas • Välise magnetvälja toimel võib spinn joonduda sellega samas suunas või vastassuunas • Sobiva energiaga energiakvandi neelamisel läheb tuum madalamalt energiatasemelt kõrgemale. • Magnetväljas B võib spinniga osake absorbeerida footoni sagedusel ν. • Sagedus on erinev erinevate osakeste puhul ja sõltub osakese güromagnetilisest suhtest, . ν =  B • Vesiniku tuuma güromagnetiline suhe  = 42.58 MHz / T.

8. Tuumade spinnide väärtused • Tuumade mudeli kohaselt on ka prootonitel ja neutronitel orbitaalid, kus on paardunud või paardumata osakesed. • Orbitaalide täitumise korral osakesed paarduvad ja summaarne spinn on null. • Samas on peaaegu igal perioodilisuse tabelis oleval elemendil isotoop, mille summaarne tuuma spinn ei ole null. • TMR saab rakendada ainult nende isotoopide puhul, mida leidub piisavas hulgas. • Tabelis on toodud enimkasutatud tuumad TMR spektroskoopias.

9. Võimalikud energiatasemed • Spinniga osake käitub ka ise väikese magnetina. Magnetväljas joondub ta selle järgi. • Võimalikud on 2 konfiguratsiooni: • väljaga paralleelne (energiasäästlik) või • välja suunale vastupidine (kõrgema energiaga staadium). • Kui osakest pommitada täpselt energiatasemete vahele vastava energiaga footoniga, siis absorbeerib see prootoni ja läheb madalamalt energiatasemelt kõrgemale. • Footoni energia E, on seotud tema sagedusega ν ja Planck'i konstandiga h (h = 6.626x10-34 J s). E = hν • TMR nimetatakse vastavat sagedust resonantssageduseks (Larmori sageduseks).

10. Larmouri sagedus • Tuumad pöörlevad välises magnetväljas oma telje ümber – seda liikumist nimetatakse pretsessiooniks • Sagedust, millega pretsessioon toimub nimetatakse Larmori sageduseks ja see on proportsionaalne välise magnetvälja tugevusega • Selleks, et prooton (osake) läheks madalamalt energiatasemelt kõrgemale (ergastuks) on vaja, et ta saaks juurde energiat (absorbeeriks energiakvandi) • TMRS antakse see energiakvant raadiosagedusega kiirguse (signaali) abil • Osakesele suunatav signaal peab sobima (resoneeruma) Larmouri sagedusega • Kui see juhtub ja tekib resonants, siis kaldub magnetvektor uuritava objekti tuumades kõrvale ning magnetiseerumine muutub korraks • N: 1, 5 T juures on Larmori sagedus ca 64 MHz

11. Energianivoode erinevus ja magnetvälja tugevus • Spinntasemete energianivoode erinevus on esitatav valemiga: E =  h B0 • Seega üleminekuks vajaliku footoni energia on seotud tuuma güromagneetilise suhte ning välise magnetvälja tugevusega. • TMR spektroskoopias on footonite sagedused raadiosageduspiirkonnas. • Vesiniku TMR korral on sagedus vahemikus 60 – 800 MHz. • MRT puhul tavaliselt 15 - 80 MHz. Astrochemist, wikipedia

12. Boltzmanni statistika • Kui grupp spinnidega osakesi asetada magnetvälja, siis iga spinn võtab ühe kahest võimalikust orientatsioonist. • Toatemperatuuril on ainult veidi rohkem spinne madalamal energiatasemel N+ kui kõrgemal, N- tasemel (erinevus 0.001 – 0.00001 %). • Boltzmanni statistika järgi: N-/N+ = e-ΔE/kT. • E on siin energeetiliste olekute energiavahe, k on Boltzmanni konstant, 1.3805x10-23 J/Kelvin; ja T on temperatuur Kelvinites. • Temperatuuri vähenedes väheneb ka suhe N-/N+. • Temperatuuri tõustes see suhe läheneb 1-le. • TMR spektroskoopia signaal (mõõdetav suurus) tuleneb neelatud energia ja pärast ergastumist madalamale energiatasemele üleminekul emiteerunud energia erinevusest. • Signaal on proportsionaalne energiatasemete asustatuse erinevusega.

13. Tuumade Varjestatus • Kui kõik uuritavas molekulis olevad sama tüüpi aatomid reageeriksid energiaimpulssidele identselt, siis ei oleks TMRS võimas meetod. • Kuna aga tuumad on ümbritsetud elektronidega, milledel omakorda on võime tekitada magnetvälja, siis varjavad nad tuumasid välise magnetvälja eest ja vähendavad selle mõju. • Saavutamaks olukorda, et tähelepanu all olev tuum siiski läheks kõrgemale energiatasemele tuleks suurendada välist magnetvälja või energia sagedust. • Varjestatuse määr sõltub ka väga palju sellest, millised on vaadeldava tuuma naabrid.

14. Naabrite mõju • Ka sama molekuli prootonite varjestus on erinev ja sõltub nende keemilisest keskkonnast (naabritest). • Need, mis on rohkem varjestatud absorbeerivad kvandi kõrgemas magnetväljas, vähem varjestatud nõrgemas väljas. • Keemilise nihke graafikul on vähem varjestatud vasakul ja rohkem varjestatud paremal.

15. Varjestuse mõõt ja keemiline nihe • Varjestus võiks olla ise võrreldavaks parameetriks spektrite kirjeldamisel, selle asemel on aga kasutusel suurus, mida nim. keemiliseka nihkeks (σ) • Mõõdetakse ppm-des, et anda väärtustele mugavamat vormi • Sisestandardina (nullsignaalina) kasutatakse tetrametüülsilaani (TMS) kuna • Si aatom on vähem elektronegatiivne kui C ning viimase prootonid on seetõttu väga varjestatud. • Orgaanilised prootonid absorbeerivad kvandi reeglina madalama magnetvälja tugevuse juures. • Keemiline nihe = TMS ja mõõdetava neeldumissageduse vahe(Hz)/ Spektromeetri sagedusega (Hz) • See suhe ei muutu TMR spektromeetri sageduse muutudes. • Nimetatakse delta skaalaks.

16. Spektri interpreteerimine • Signaalide arv spektril näitab kui palju erinevaid prootoneid on. • Signaalide asukoht näitab kui varjestatud või varjestamata on prooton. • Signaalide intensiivsus näitab antud tüüpi (ekvivalentsete) prootonite arvu. • Signaalide lõhestumine näitab naabruses olevate prootonite arvu.

17. Signaalide asetus TMR spektril • Kui prootoni läheduses suureneb elektronegatiivsete aatomite arv, siis selle varjestatus väheneb ja keemiline nihe suureneb. • Efekt nõrgeneb vahemaa kasvades. • Mida elektronegatiivsem on naaberaatom, seda vähem varjestatud on prootonid ja • seda nõrgemas väljas toimub energiakvandi neelamine ning • seda suurem on keemiline nihe • Naabrite mõju väheneb nende kauguse kasvuga • Naabrite mõju suureneb nende hulga kasvuga • Vesiniku aatomi keemiline nihe sõltub ka tema hübridisatsiooniastmest.

18. Näiteid keemilise ümbruse mõjust prootoni keemilisele nihkele

19. Signaalide arv ja intensiivsus • Kui kahe aatomi keemiline ümbrus on identne, siis nimetatakse neid aatomeid ekvivalentseteks • Ekvivalentsetel aatomitel on ühesugused keemilised nihked (näide: metaan, etaan, propaan) • Prootonspektrite puhul on joonte intensiivsus spektris proportsionaalne vesinike suhtarvuga molekulis

20. Signaalide lõhestumine e. spinn-spinn vastasmõju • Kõrvutiasetsevatel süsinikel olevad mitteekvivalentsed vesinikud omavad magnetvälja, mis võib olla välise väljaga samas suunas või pööratud selle vastu • Kui prootoni magnetväli on samas suunas välise magnetväljaga, siis absorbeerib ta energiakvandi pisut allpool (nõrgemas väljas) ning vastupidise olukorra puhul pisut ülevalpool oma keemilist nihet. • Kuna kõik võimalused eksisteerivad, siis signaal lõhestub • Spinn-spinn vastasmõju (J) mõõdetakse Hz-des ja see toimib aatomite vaheliste keemiliste sidemete vahendusel • Spinn-spinn vastasmõju sõltub • intrakteeruvatest tuumadest • keemiliste sidemete iseloomust • sidemete vahelistest nurkadest • Ei sõltu välise magnetvälja tugevusest

21. Pascal’i kolmnurk: spektrijoonte suhteline intensiivsus multipletis

22. Spinn-spinn vastasmõju ulatus • Ekvivalentsed prootonid üksteise signaale ei lõhesta • Sama süsiniku küljes olevad prootonid lõhestavad üksteise signaale vaid siis kui nad ei ole ekvivalentsed • Kõrvutiolevate süsinike küljes olevad prootonid mõjutavad üksteist • Tavaliselt võib mõjutusi ignoreerida kui prootonid on üksteisest eraldatud nelja või rohkema sidemega

23. 13C TMRS • 12C ei ole magnetmomenti • 13C on magnetmoment, aga ainult 1% süsinikust proovis on 13C. • 13C güromagneetiline suhe on ¼ 1H omast. • Signaalid on väikesed ja kaovad mürasse. • Võetakse sadu spektreid ja keskmistatakse tulemus. • Fourier spektroskoopia • Võrreldes 1H TMRS-ga on resonantssagedus ¼ (15.1 MHz 60 MHz asemel). • Piikide pindalad ei ole proportsionaalsed süsinike arvuga • Need süsinikud, millede küljes on rohkem vesinikke absorbeeruvad tugevamini.

24. 13C TMRS 2 • Süsinike keemilise nihke skaala on 10 – 20 korda laiem kui vesinikel. • Spektrijoonte laius on süsinikel sama või väiksem • Seetõttu on süsiniku spekter ülevaatlikum • Üldjuhul pole süsinikuspekter kvantitatiivne • Süsinikutuumade relaksatsioonikiirus on suhtekliselt aeglane ja sõltub nende tüübist, mistõttu spektrijoonte laius ning intensiivsus võimaldavad sageli tuvastada, mis süsinikuga on tegu. • N: kui süsinikuga ei ole seotud ühtegi vesinikku, siis on tema relaksatsioonikiirus palju väiksem kui vesinikuga seotud süsinikel, mis võimaldab neid ülejäänud spektrist eristada.

25. Signaalide lõhenemine 13C TMRS-s • 13C naabrus on väga vähe tõenäoline ja seepärast võib 13C tulenevat signaalide lõhenemist ignoreerida. • 13C avaldavad magnetilist mõju temaga seotud prootonid ja tema kõrval asetsevad prootonid • Lõhestumised on sageli üsna keerukad ja raskesti interpreteeritavad • Spektri lihtsustamiseks “kiiritatakse” prootoneid pidevalt. • Selle tulemusena mõjub süsiniku aatomile kõikvõimalike prootoni spinnolekute keskmistatud väärtus. • Seega annab süsinik üksiku lõhestamata piigi. • 13C tuuma lõhestavad vaid temaga otseselt seotud (tema küljes olevad) prootonid. • Järelikult N + 1 reegel kehtib: N prootoniga süsiniku signaalil on N+1 piigiga signaal.

26. 13C spektrite interpreteerimine • Signaalide arv näitab eri tüüpi süsiniku aatomite arvu. • Signaalide keemiline nihe annab informatsiooni selle kohta, mis funktsionaalrühmaga võiks olla tegemist. • Piigi pindala on seotud süsinike arvule. • Lõhestumiste arv annab informatsiooni süsinikega seotud vesinike arvu kohta.

27. Magnetresonantstomograafia (MRT) • TMRS populaarne rakendus • Sõna “tuuma” on jäetud ära üldlevinud kartuse tõttu, et see viitab radioaktiivsusele • MRT kaameras kasutav magnetväli võib olla kuni 3 T. • Erinevatel kudedel on erinev relaksatsiooniaeg – näiteks rasval kiirem kui veel. • Seega saab jälgida “signaali kustumist” ja teha vahet erinevate kudede vahel. • Võimaldab hõlpsasti leida kasvajaid.

28. TMR spektromeetrite tüübid • Skaneerivad (CW) TMR spektromeetrid: • Muudetakse magnetvälja tugevust konstantse ergastussageduse juures • Muudetakse ergastussagedust konstantse magnetvälja tugevuse juures • Fourier impulss-spektromeetrid • Ergastamiseks kasutatakse laiaribalist raadiosagedusimpulssi või impulsside jada, mis on rakendatud ristipidiselt püsimagnetvälja suunaga • Registreeritakse ergastusimpulssidele järgnevat ajas sumbuvat raadiosageduslikku kiirgust. • Saadud signaal salvestatakse numbrilisel kujul ning teisendatakse Fourier teisenduste abil TMR spektriks • Iseloomulik on, et mõõtmisprotsessi korratakse sageli palju kordi (kuni 106 korda)