NMR spektroskopie rádiové frekvence jádra spinovou rezonancí jader spinový moment lichý počet

Podobné dokumenty
OPVK CZ.1.07/2.2.00/

SPEKTROSKOPIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

ZÁKLADY SPEKTROMETRIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

NMR spektroskopie. Úvod

NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE

NMR spektroskopie Instrumentální a strukturní analýza

12.NMR spektrometrie při analýze roztoků

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

Strukturní analýza. NMR spektroskopie

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie NMR. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

Využití magneticko-rezonanční tomografie v měřicí technice. Ing. Jan Mikulka, Ph.D. Ing. Petr Marcoň

Spektrální metody NMR I. opakování

NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANČNÍ SPEKTROMETRIE

Spektra 1 H NMR. Velmi zjednodušeně! Bohumil Dolenský

doc. Ing. Richard Hrabal, CSc. Ing. Hana Dvořáková, CSc. RNDr. Jan Lang, PhD. Číslo dveří A 42, telefon 3805,

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. VII. Spektroskopie a fotochemie

Fyzika IV. 1) orbitální magnetický moment (... moment proudové smyčky) gyromagnetický poměr: kvantování: Bohrův magneton: 2) spinový magnetický moment

Skoro každý prvek má nějaký stabilní isotop s nenulovým spinem. (Výjimky: Ar, Tc, Ce, Pm)

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Základní parametry 1 H NMR spekter

LEKCE 1b. Základní parametry 1 H NMR spekter. Symetrie v NMR spektrech: homotopické, enantiotopické, diastereotopické protony (skupiny)*

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

NMR SPEKTROSKOPIE PRO CHEMIKY

Seminář NMR. Mgr. Zdeněk Moravec, Ph.D.; Ústav chemie, PřF MU,

Magnetická rezonance. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

Nukleární magnetická rezonanční spektrometrie

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Magnetická rezonance Přednáška v rámci projektu IET1

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

doc. Ing. Richard Hrabal, CSc. Ing. Hana Dvořáková, CSc. doc. RNDr. Jan Lang, PhD. Ing. Jan Prchal, Ph.D.

Magnetická rezonance (2)

PRAKTIKUM IV. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Úvod Základy Fyzika MRI. Magnetická rezonance. J. Kybic, J. Hornak 1, M. Bock, J. Hozman, P.Doubek. 1

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Postup při interpretaci NMR spekter neznámého vzorku

Náboj a hmotnost elektronu

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

Dekapling, koherentní transfer polarizace, nukleární Overhauserův jev

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

magnetizace M(t) potom, co těsně po rychlé změně získal vzorek magnetizaci M 0. T 1, (2)

Magnetická rezonance

Naše NMR spektrometry

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Vybrané kapitoly z praktické NMR spektroskopie

Vybrané spektroskopické metody

Fluorescence (luminiscence)

Náboj a hmotnost elektronu

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

13. Spektroskopie základní pojmy

JADERNÁ MAGNETICKÁ REZONANCE

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Techniky měření a interpretace NMR spekter. Bohumil Dolenský VŠCHT Praha místnost A28 linka 4110

doc. Ing. Richard Hrabal, CSc.

Program. Materiály ke studiu NMR. Data, Soubory. Seminář z Analytické chemie B. \\PYR\SCRATCH\

Zobrazování. Zdeněk Tošner

O Minimální počet valencí potřebných ke spojení vícevazných atomů = (24 C + 3 O + 7 N 1) * 2 = 66 valencí

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Úvod do laserové techniky

Metody pro studium pevných látek

Elektronový obal atomu

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Základy NMR 2D spektroskopie

Modulace a šum signálu

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Středoškolská odborná činnost 2005/2006

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Jiří Brus. (Verze ) (neupravená a neúplná)

Fyzika atomového jádra

Přehled veličin elektrických obvodů

Měření a interpretace NMR spekter

PROČ TATO PŘEDNÁŠKA? KDO JSEM?

Magnetická rezonance. Martin Sedlář >> <<

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

ATOMOVÉ JÁDRO. Nucleus Složení: Proton. Neutron 1 0 n částice bez náboje Proton + neutron = NUKLEON PROTONOVÉ číslo: celkový počet nukleonů v jádře

Dvourozměrná NMR spektroskopie metody

Autor: martina urbanová, jiří brus. Základní experimentální postupy NMR spektroskopie pevného stavu

projekce spinu magnetické kvantové číslo jaderného spinu - M I

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Aplikace jaderné fyziky (několik příkladů)

Mapování indukce magnetického pole v okolí malých cívkových aplikátorů metodou magnetické rezonance

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

MIKROVLNNÁ SPEKTROSKOPIE RADIKÁLU FCO 2. Lucie Kolesniková

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

Základy elektrotechniky - úvod

Transkript:

NMR spektroskopie

NMR spektroskopie Nukleární Magnetická Resonance - spektroskopická metoda založená na měření absorpce elektromagnetického záření (rádiové frekvence asi od 4 do 900 MHz). Na rozdíl od UV, VIS a IR absorpce jsou do tohoto procesu zahrnuty jádra atomů ne vnější elektrony. je způsobena spinovou rezonancí jader v silném magnetickém poli aplikovat pouze na atomy, jejichž jádro má spinový moment (pouze atomy jejichž jádra mají lichý počet protonů nebo neutronů)

Která jádra jsou NMR aktivní? 1 1 H 14 7 N 19 9 F 12 6 C 15 8 O 31 15 P 13 6 C 16 8 O 32 16 S

NMR spektroskopie Absorbované záření způsobuje přechody mezi energetickými stavy vzniklými rozštěpením jednoduchých stavů s nenulovým spinem v magnetickém poli. Jelikož lokální magnetické pole (a tím i velikost rozštěpení) je ovlivněno okolím atomu, lze tak studovat vlastnosti okolí sondujícího atomu. Metoda vhodná zvláště pro studium struktury uspořádání molekul.

Historie NMR Teorii NMR předložil W. Pauli v roce 1924. Navrhnul, že vystavení atomových jader (s jaderným spinem a magnetickým momentem) silnému magnetickému poli by mělo vést k rozštěpení jejich energetických hladin.

NMR Avšak až roku 1946 Bloch (Stanford) a Purcell (Harvard) dokázali, že jádra atomů absorbují záření rádiových vln v silně magnetickém poli jako důsledek rozštěpení energetických hladin, což bylo způsobeno magnetickým polem. Tito fyzici dostali za tento objev Nobelovu Cenu.

NMR Felix Bloch (1905-1983) Edward M. Purcell (1912-1997)

Atomové jádro Jádra mají vnitřní moment hybnosti p zvaný jaderný spin. Maximum pozorovatelné složky tohoto momentu hybnosti je kvantováno. m = I, I-1,, -I (m je mag. kv. číslo) pro I = ½, dva stavy m = 1/2, -1/2 magnetický moment μ g gyromagnetický poměr μ = γ h 2π I

Rozdělení atomových jader sudý počet protonů a neutronů - kvantové číslo jaderného spinu I=0, nemají jaderný magnetický moment, nejsou v NMR pozorovatelná ( 12 C, 16 O) nepárový počet protonů a neutronů - celočíselný spin, vedle jaderného magnetického momentu mají i kvadrupólový moment, obtížně měřitelná v NMR ( 14 N) liché hmotnostní nukleonové číslo - poločíselný spin, mají jaderný magnetický moment, snadno měřitelná v NMR ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P)

Atomové jádro Protony se svým lokálním náhodně orientovaným magnetickým polem, směr je naznačen rovnou šipkou

Atomové jádro Protony ve vnějším magnetickém poli B 0 (magnetická indukce, jednotka 1T = tesla) B 0 Podobně jako spin elektronu, zaujímá i spin jádra ve vnějším magnetickém poli polohy, které se liší energií.

Jádra v mag. poli Populace stavů E 2 N 2 ΔE = E 2 -E 1 B 0 E 1 N 1 N 1 ΔE / k N 2 = e Poměr populací stavů je dán Boltzmannovým rozdělením, ΔE bývá malé B T

Absorpce radiových frekvencí Co se děje v NMR experimentu? jádra, na něž působí silné a stálé magnetické pole, jsou excitována radiovými vlnami excitovaný stav orientace proti poli Radiové vlny (100ky MHz) základní stav souhlasná orientace s polem B 0 = indukce externího magnetického pole B 0

Blochova teorie pro jádra s I=1/2 E 2 ΔE = γ h 2π B o ΔE = E 2 -E 1 γ gyromagnetická konstanta B 0 E 1 γ / 2π 1 1H = 42.577 MHz.T 6 C = 10.705 MHz.T 13 1 1

Larmorova frekvence absorpce nastává za rezonanční podmínky h γ B hν o 2π ΔE = = ν = γ 2π B o ν ν ( 1 ) 1 H = 42.58 MHz; B0 = 1 T ( 1 H) = 200 MHz; B = 4. 7 T 1 0

Intenzita vnějšího pole Energie b spin NMR přístroje se označují jako 300, 400, 500 náhodně orientovaná jádra (bez vnějšího pole) Δ E 200 MHz pro 1 H Δ E 400 MHz pro 1 H a spin 0 4.7 9.4 Indukce magnetického pole, B 0 (Tesla) indukce vnějšího pole pro NMR zvyšuje citlivost zvyšuje rozlišení cenupřístroje

Stínění jader elektrony B 0 B local B i holé jádro (H + ) bezezbytku cítí vliv vnějšího pole (B 0 ) elektrony vytváří indukované pole (B i ) orientované proti B 0 elektronová hustota částečně odstiňuje jádro před B 0 takže to cítí B local

energetická pozice NMR NMR 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-2 10 Wavelength (m)

Chemický posun jádra, která nemají stejné chemické okolí se liší rozložením elektronů a tím i intenzitou stínění jádra intenzita stínění vnějšímu mag. poli B 0 a je charakterizována stínící konstantou σ rezonanční frekvence jádra je při různých vnějších polích posunuta o určitý zlomek tohoto pole nejvíce stíněná jádra - nejvíce vpravo, posunuty k vyššímu poli

Chemický posun B eff = B o ( 1 σ) σ stínící konstanta ovlivňuje rezonanční frekvenci jádra = chemický posun ν i γ = 2 π ( ) B 1 σ o i

Chemický posun rezonanční frekvence jsou jen nepatrně posunuty, pro posun se používají jednotky ppm (miliontiny vnějšího pole) počátek stupnice se volí podle standardu - tetramethylsilanu (TMS) ν δ ( ppm ) = ν o 10 6

Standard - TMS jediná 1 H linie (ostrá a intenzivní) snadno nalezitelná mezi ostatními singletový signál nejvíce vpravo přidává se přímo k měřené látce po skončení měření ho lze mírným zahřátím ze vzorku odstranit

Chemický posun řídké elektronové okolí husté elektronové okolí

Chemický posun

1 H-NMR Příklady chemických posunů

Multiplicita signálů mluvíme o hyperjemné struktuře spektra některé signály v NMR spektru jsou rozštěpeny - spin-spinové štěpení způsobeno interakcí se sousedními NMR aktivními jádry přes valenční elektrony

Multiplicita

Multiplicita signálů Pravidlo N+1 HOCH 2 CH 3 sousedé štěpení CH 3 2 3 CH 2 OH 3/1 4/2 2 3 rychlá výměna, pozoruje se singlet

Štěpení

Relativní intensity v multipletu 1 singlet 1 1 doublet 1 2 1 triplet 1 3 3 1 quartet 1 4 6 4 1 pentet 1 5 10 10 5 1 sextet 1 6 15 20 15 6 1 septet

Multiplicita signálů singlet doublet triplet quartet pentet 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1

Interakční (coupling) konstanta vzdálenost rozštěpených signálů nezávisí na indukci vnějšího mag. pole J ab (Hz) δ (ppm)

Struktura z NMR chemický posun δ - chemické okolí jádra multiplicity a interakční konstanty J - počet sousedních mag. aktivních jader a geom. uspořádání integrální intenzity signálů - počet ekvivalentních atomů v molekule korelační signály atp.

NMR intrumentace k. dusík měřící cívka kyveta k. helium supravodivý magnet sonda Vzorek obsahující magneticky aktivní jádra vložíme do magnetického pole a do blízkosti vzorku umístíme cívku, kterou protéká střídavý proud o frekvenci v oblasti MHz. Potom měníme spojitě intenzitu magnetického pole B 0 nebo frekvenci proudu v cívce. Při splnění rezonanční podmínky dojde k absorpci radiofrekvenčního záření.

400 MHz NMR Spektrometr počítač elektronika supravodivý magnet

400 MHz supravodivý magnet síla magnetického pole 9.4 Tesla (94,000 gauss) 400 MHz je použitá frekvence pro detekci protonů v tomto poli NMR sample tube and holder descend into center of magnet

Umístění NMR vzorku 5 mm NMR sample tube RF energy upper level of NMR solution NMR vzorek je umístěn navrchu sondy tekutý dusík -196 C (77.4 K) kapalné helium -269 C (4.2 K) supravodivé magnety vyžadují neustálé chlazení

Magnetické pole vytváří supravodivé cívky (několik tisíc závitů, protéká proud 100 A) indukce 4-18 T homogenita pole orientovaných cívek se upravuje spec. sadou různě část nehomogenit možno eliminovat rotací kyvety

FT-NMR Všechna jádra excitována velmi krátkým radiofrekvenčním pulsem (μs). Návrat jader do rovnovážného stavu možno sledovat jako FID (free induction decay, volné doznívání indukce).

FID tvar exponenciálně tlumené periodické funkce představující součet sinusoid s frekvencemi příslušejícími jednotlivým signálům představuje závislost intenzity proudu indukovaného ve snímací cívce na čase informace o fázovém posunu každé frekvence vůči fázi excitační frekvence Fourierovou transformací se FID převede na normální spektrum (závislost intenzity na frekvenci)

NMR techniky protonové spektrum 1 H NMR uhlíkové spektrum 13 C NMR další jednodimenzionální techniky dvoudimenzionální techniky (COSY, NOESY )

Protonové spektrum 1 H NMR nejčastěji měřené stačí méně než 1 mg vzorku spektrum obsahuje intenzity signálů chemické posuny protonů interakce mezi nimi

1 H - NMR Spektrum Dva signály rozdělené do násobných píků s poměry ploch 2:3. 1 H-NMR Data: 3 součásti kvartet triplet 1. Chemický posun - každý neekvivalentní vodík dává jedinečný signál na ose x. 2. Spin-spin interakce - sousedící NMR aktivní jádra štepí každý signál. 3. Integrace -plochypíků jsou úměrné počtu ekviv. jader poskytujících signál.

Uhlíkové spektrum 13 C NMR potřeba 5-10 mg vzorku doba měření: řádově desítky minut měří se s ozářením protonů spektrum poskytuje informace o chemických posunech uhlíkových atomů druhé nejběžnější spektrum

Využití NMR spektroskopie sledování průběhu reakcí ověřování struktury produktů studium tkání a orgánů v lidském těle (tomografie) Za MRI (magnetic resonance imaging) byla udělena Nobelova cena R. Ernstovi roku 1991 určování struktury sloučenin kvantitativní analýza