1 / 44

Wykład 9

Wykład 9. pomiar NMR spektroskopia impulsowa. Pomiar widma NMR. N. warunek rezonansu: n = g B / 2 p. E =  ħ B. h . Historyczna metoda fali ciągłej pomiaru widma NMR: — przemiataniu częstością pomiar absorpcji promieniowania radiowego przy zmianie częstości

saad
Download Presentation

Wykład 9

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Wykład 9 pomiar NMRspektroskopia impulsowa

  2. Pomiar widma NMR N warunek rezonansu: n = gB / 2p E = ħB h Historyczna metoda fali ciągłej pomiaru widma NMR: — przemiataniu częstością pomiar absorpcji promieniowania radiowego przy zmianie częstości Jądra znajdujące się w różnych otoczeniach chemicznym po kolei spełniają warunek rezonansu. — przemiataniu polem przy stałej częstości Metoda bardzo powolna. Współcześnie tej metody się nie stosuje. Pozostały określenia „górno-, dolnopolowe przesunięcie” S próbka umieszczona w polu magnetycznym

  3. Wymagania stawiane widmu NMR: S/N = 2,5 H/h H dobra czułość ~ B02, g3; zawartość izotopu, stężenie Akumulacja n widm  sygnał rośnie n razy, szum –n1/2razy; poprawa S/N: n1/2 Warunki pomiaru muszą być takie same. Niezbędne jest wykonanie wielu widm (i to szybko). dobra rozdzielczość rozdzielczość - zdolność spektrometru do rozdzielenia blisko leżących sygnałów; minimalna różnica częstości dla jakiej można obserwować oddzielne sygnały. Jeśli 2 linie są w odległości mniejszej niż ich szerokości połówkowe, następuje całkowite zlanie. Wysoka rozdzielczość w NMRze 0,1-0,5 Hz. Wysoka rozdzielczość nakłada na pomiar wymaganiedługiego czasu pomiaru, bo z zasadynieoznaczoności Heisenberga: DE Dt  h DnDt  1 h 0.9n1/2 1.1n1/2 3n1/2 n1/2 mała duża

  4. Metoda impulsowa w spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego od lat 70. XX w. Polega na wzbudzaniu jednocześnie wszystkich częstości jednym impulsem o częstości radiowej, zbieraniu odpowiedzi w domenie czasu (jednocześnie całego zakresu) a następnie konwertowanie jej do pożądanego widma— zależności od częstości w procesie transformacji Fouriera (FT). FID czas transformacja Fouriera widmo NMR czestotliwość

  5. opis klasyczny: B0 opis kwantowy: mI = + 1/2 Jądro magnetyczne traktowane jest jako dipol magnetyczny; B0 „usiłuje” ustawić go zgodnie z kierunkiem B0, ale własny moment pędu jądra wywołuje ruch precesyjny wektora m,precesję Larmora. Odpowiednikiem 2 stanów spinowych są - równoległa i antyrównoległa orientacja składowej Z momentu magnetycznego m względem zewnętrznego pola B0. E DE = hn mI = - 1/2 Bo Klasyczny opis zjawiska NMR użyteczny przy rozpatrywaniu technik impulsowych

  6. Precesja Larmora; model wektorowy Blocha Prędkość kątowa tego ruchu precesyjnego w polu B0wynosi 0 = - gB0 [rad/sekunda] (dla momentu m = gp) częst. n = - gB0 /2p [Hz] i nazywa się częstotliwością Larmora Absorpcja energii, hn, prowadzi do inwersji wektora m (zmiana stanu spinowego). Oscylujące pole B1 w płaszczyźnie XY może powodować odwrócenie wektora m. Felix Bloch znak g oznacza kierunek precesji

  7. z M0 y x Próbka makroskopowa, namagnesowanie Namagnesowaniepróbki M0, magnetyzacja wypadkowa indywidualnych momentów jądrowych jąder stanowiących nadmiar w stanie podstawowym. Nadmiar określony rozkładem Boltzmana (Na/Nb = eDE / RT) Wektor wypadkowej magnetyzacji (makroskopowa) zachowuje się zgodnie z zasadami fizyki klasycznej, uproszczony opis nazywa się modelem wektorowym Blocha. nadmiar w stanie podstawowym próbka = duży zbiór wektorków Rys. z T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry,

  8. Oscylujące pole magnetyczne B1 (wzdłuż osi x): Fala radiowa, B1; rotujący układ współrzędnych Laboratoryjny układ współrzędnych: Rotujący z częstością Larmora układ współrzędnych: pole B1 oscylujące (no) pole B1 statyczne obraz statyczny, ruch precesyjny zamrożony Rys. z T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry,

  9. porusza się obserwator Laboratoryjny układ współrzędnych pozornie nieruchomy obserwator Rotujący układ współrzędnych Ten rys. i następne z T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry,

  10. rotujący układ współrzędnych Impuls; zgodność faz Impuls - pole B1 (promieniowanie radiowe) działające przez b. czas (krótki) t Działanie impulsu: F = Mo x B1 obrót tego wektora o kąt  = gB1 t [radiany] po: przed: Tuż po impulsie: Mx = 0, My = Mo sin Mz = Mo cos pomiar zrównanie populacji inwersja populacji max. magnetyzacja w y zerowa w z Po impulsie 90° poszczególne spiny przerzucone są w stronę +y, są spójne w fazie

  11. Impuls 90o i 180o, nasycenie Impuls 90- stopniowy, albo nasycenie Impuls 180- stopniowy - inwersja populacji. Nasycenie sygnału - zrównanie populacji spinów a i b z jednoczesnym brakiem spójności fazy – ze statystycznym rozłożeniem w płaszczyźnie XY. MXZ = 0 Pomiar sygnału w płaszczyźnie XY, stąd impuls 90 i 270-st. daje maksymalną intensywność sygnały mierzonego, 180 i 360 - zerową.

  12. Pomiar sygnału. Swobodny spadek indukcji, FID Rotacja M w płaszczyźnie xy (układ lab.) indukuje w odbiorniku słaby sygnał elektromagnetyczny, który mierzymy. sygnał maleje ekspotencjalnie (procesy relaksacyjne) FID Free Induction Decay M czas x y transformacjaFouriera widmo częstotliwość linia na widmie ma kształt krzywej Lorentza

  13. Transformacja Fouriera, FT Przedstawienie częstości w dwojaki sposób: Czas i częstość są ze sobą związane: n n = 1 / Dt Dt Jeśli nakładają się setki różnych częstości prosta ekstrakcja częstości nie jest możliwa.

  14. FT domena czasudomena częstości FT 4. złożenie wielu częstotliwości FT FT 3. dwie częstotliwości FT 2. większa częstotliwość FT 1. mniejsza częstotliwość

  15. Kierunek działania impulsu a faza sygnału w widmie 90ox 90o-x B1 Mo B1 Mo z z x x y y z 90oy Mo B1 x y krzywa dyspersyjna rotujący układ współrzędnych Faza sygnału ta sama częstośći amplituda, różna faza część rzeczywista część urojona FT skutek wkształcie linii krzywa dyspersyjna

  16. Parametry akwizycji danych częstość podstawowa NS 16 RG 280

  17. Czasy związane z pomiarami p1 szerokość (czas) impulsu np. impuls 90o (p/2), czas t90 d1 zwłoka relaksacyjna, czas oczekiwania czas akwizycji aq czas repetycji sekwencji czas opóźnienia akwizycji

  18. D p1 DnDt  1 n0 Długość trwania impulsu i zasada nieoznaczoności impuls selektywny, wzbudzający tylko niektóre częstości Krótki impuls - wykorzystuje tę zasadę na naszą korzyść - monochromatyczny impuls wzbudza szeroki zakres częstości: od n = n0 - 1/t do n =n0 +1/t warunek wzbudzenia takiego zakresu częstości : gB1 >> 2pD(D – szer. spektralna) gdzie t - szerokość impulsu (czas). Impuls musi także mieć dostatecznie dużą moc.

  19. D p1 DnDt  1 Aby pokryć całą wymaganą częstość, np. 10 ppm w 1H NMR na spektrometrze, np. 400 MHz, co odpowiada 4000 Hz ( 2000 Hz), potrzebujemy impulsu 0,5 ms lub krótszego. 13C NMR, 100 MHz, zakres 200 ppm ( 10000 Hz)  impuls 100 ms W praktyce impulsy są jeszcze krótsze (rzędu 10 ms). Impulsy w spektrometrze są kalibrowane (dla pożądanego kąta – czas trwania i moc), Długość trwania impulsu i zasada nieoznaczoności

  20. Czas oczekiwania, czyli czas na relaks p1 zwłoka relaksacyjna, czas oczekiwania aq d1 czas akwizycji czas repetycji sekwencji czas na powrót magnetyzacji do stanu równowagi, do osi Z (procesy relaksacji) 1H NMR – 1 sekunda; dla specjalnych pomiarów ilościowych lub pomiarów T1 – 5 sek. 13C NMR – 2 sekundy (kompromis pomiędzy żądaniem osiągnięcia relaksacji jąder i zmierzenia jak największej liczby skanów w określonem czasie) UWAGA! Czasy relaksacji wielu węgli są dłuższe! (jedna z przyczyn dla których nie ma proporcjonalności intensywności piku w 13C i ilości rezonujacych jąder)

  21. Zasada nieoznaczoności i czas pomiaru (akwizycji) p1 aq d1 czas akwizycji Jakie jeszcze znaczenie ma czas? Wpływa na szerokość linii - zbyt krótki czas pomiaru sygnału (FID-u) pociąga za sobą zbyt dużą nieoznaczoność energii (~niedokładność pomiaru częstości) zgodnie z zasadą Heisenberga: DEDt ~ h/2p. Dlatego FID musi być dostatecznie długo mierzony (czas aq jest obliczany przez program na podstawie SW i liczby punktów FID-u, TD) DnDt  1

  22. przesunięcia chemiczne - milionowe części częstości podstawowej 10 ppm = 3000 Hz na spektrometrze 300 000 000 Hz Zakres spektralny, SW o1p Zakres widma definiowany jest przez SW oraz połozenie środka widma, parametr o1 (o1p)

  23. sygnał referencyjny Pomiar sygnału NMR sygnał digitalizowany sygnał NMR częstość Larmora, częstość impulsu

  24. konwersja analogowo-cyfrowa, ADC Aby prawidłowo odwzorować oscylujący sygnał analogowy musi on być opisany przez conajmniej 2 punkty pomiarowe na okres drgań. Sygnał o częstości F musi być próbkowany z częstościa conajmniej 2F. Maksymalana częstość = SW. DW = 1 / 2SW; DW = dwell time, czas pojedynczego pomiaru, odległość w czasie między punktami Twierdzenie Nyquista nie spełnia warunku zawijanie sygnału ADC ma oganiczoną szybkość - limituje częstotliwość, a w ten sposób limituje max. SW

  25. Rozdzielczość cyfrowa FIDu,czas akwizycji Z zasady nieoznaczoności: rozdział linii odległych o Dn Hz wymaga czasu nie mniejszego od 1 / Dn sek. AQ = DW * TD = TD / 2 SW AQ - czas akwizycji DW - czas pomiaru 1 punktu TD - rozmiar FIDu (liczba punktów FIDu), (np. 65536) SW - zakres spektralny DR = SW / SI = 2 SW / TD = 1 / AQ DR - rozdzielczość cyfrowa, [Hz/pt], SI - rozmiar widma SI = TD / 2 (r+i) Dla rozdzielczości poniżej 1 Hz AQ wymagany - 2-4 s (DR = 0,5 - 0,25 Hz/pt) DW = 1 / 2SW

  26. TD - rozmiar FIDu (ustalany przed pomiarem) - parametr pomiaru SI - rozmiar widma (parametr obróbki FIDu) SI = TD / 2 (ustawienie standardowe) Możliwe, a czasem niezbędne jest zwiększenie SI, poprzez dopełnianie zerami Rozdzielczość cyfrowa widma, dopełnianie zerami

  27. intensywność sygnału zbyt duża FT skutek: zniekształcenie linii podstawowej Parametry zbierania danych - wzmocnienie odbiornika, RG

  28. (stosunek sygnału do szumu) Liczba skanów (NS) Wraz ze wzrostem ilości skanów sygnał rośnie szybciej niż szum. Po n skanów szum rośnie n1/2 raza, sygnał n razy, stosunek S/N rośnie n1/2 raza.

  29. Sygnał elektryczny -> binarna liczba proporcjonalna do intensywności sygnału; ilość bitów takiej liczby definiuje ROZDZIELCZOŚĆ PRZETWORNIKA ADC; typowo 16 bitów, zakres dynamiczny przetwornika: 1 - 32767, czyli stosunek sygnały najsłabszego do najmocniejszego możliwego do zarejestrowania Zakres dynamiczny Szum wynikający ze zbyt małego zakresu dynamicznego

  30. Parametry obróbki widmafunkcja okna 1. Manipulacje widmem przed transformacją Fouriera - dopełnianie zerami (SI) - wprowadzenie funkcji okna, parametr poszerzenia linii, LB (line broadening), manipulacja czułością i rozdzielczością poprzez przykładanie różnych wag do różnych części FIDu dominuje sygnał dominuje szum LB = 1 apodyzacja obciętego FIDu

  31. dominuje sygnał dominuje szum FT Kształt FIDu a kształt linii rezonansowej, dopełnianie zerami (zero filling) FT funkcja okna FT FT

  32. Kształt linii w NMRze 2 parametry: LB GB

  33. Obróbka widm programem TopSpin 1. Przed transformacją Fouriera dobieramy następujące parametry obróbki widma 1H NMR: a) liczba punktów widma, SI; standardowo SI = TD/2, gdzie TD – liczba punktów FIDu b) parametr poszerzenia linii, LB, standardowo dla diamagnetyków LB = 0.3-0.5; (13C: 1); czasem wybieramy inny kształt linii (Gaussa) i dodatkowe parametry (GB) 2. Wykonujemy transormację Fouriera (ft, efp – expotencjalnie z zachowaniem fazy), a następnie: a) korygujemy fazę (automatycznie apk lub ręcznie), b) kalibrujemy widmo (sygnał resztkowy lub wzorzec), c) korekcja linii podstawowej przed całkowaniem. 3. Odczytywanie parametrów widma: a) odczytywanie przesunięć chemicznych (po kalibracji), peak picking, b) odczytywanie stałych sprzężenia, c) całkowanie (po korekcji linii podstawowej) integration, d) dekonwolucja 4. Porównywanie kilku; odejmowanie widm. 5. Przygotowanie wydruku. 6. Przeniesienie do edytora rysunków.

  34. Widma 2-wymiarowe Jak powstaje widmo 2-wymiarowe? ciąg dalszy technik wieloimpulsowych

  35. Najprostszy eksperyment dwuwymiarowy (2D)COSY COrrelationSpectroscopY spektroskopia korelacyjna 1D 2D t1 t2

  36. Drugi wymiar przygotowanie ewolucja mieszanie detekcja d1 p1 t1 p2 aq (t2) relaksacja i wzbudzenie conajmniej jednym impulsem

  37. Drugi wymiar przygotowanie ewolucja mieszanie detekcja d1 p1 t1 p2 aq (t2) t1 jest inkrementowany cała sekencja impulsów powtarzana jest z różnymi czasami t1

  38. Drugi wymiar przygotowanie ewolucja mieszanie detekcja d1 p1 t1 p2 aq (t2) conajmniej jeden impuls; wytworzenie obserwowalnej magnetyzacji poprzecznej wędrowanie magnetyzacji pomiędzy sprzężonymi spinami przeniesienie koherencji zmiana częstości precesji

  39. Drugi wymiar przygotowanie ewolucja mieszanie detekcja d1 p1 t1 p2 aq (t2) pomiar, czas pomiaru najczęś-ciej oznaczany t2

  40. ??? Drugi wymiar Widmo 2- wymiarowe: t1 t1 FT (t2) FT (t1) n1 n2 t2 n2 ostateczna mapa w domenie 2 częstości seria FIDów dla różnych t1 seria widm 1D różnica faz i amplitudy

  41. tr F t1 rośnie od 0 z małym interwałem; wysokość piku zależy od t1 - oscyluje sinusoidalnie z częstością n. Szczyty tych pików tworzą nowy FID, nie w funkcji czasu realnego tylko w funkcji długości interwału t1. Nowy FID zanika ekspotencjalnie. t1 n2 tr. Fouriera

  42. transformacja Fouriera w t1 tr. Fouriera

  43. typowa prezentacja

More Related