NMR-Spectroscopie - Vrije Universiteit Brussel
advertisement
Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Inleiding & Kernmagnetisme Lieven Buts Vrije Universiteit Brussel 19 maart 2012 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Doelstelling Functionele karakterisatie (bindingsstudies, enzymologie, in vivo-studies) Eiwitten (en andere biologische macromoleculen) Functie en dysfunctie Structurele karakterisatie (informatie over grotere complexen, hoge-resolutiestructuren van de onderdelen) Hoge-resolutie-NMR (HNMR) X-straalkristallografie (diffractie) Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Verwante Cursussen Voorbereidende cursussen Fysica: Elektromagnetisme (Prof. Danckaert) Organische Chemie: Structuur (Prof. Abbaspour-Tehrani) Gevordere cursussen Hoge-resolutie-NMR (Prof. Willem) Kwantumchemie (Prof. Geerlings) Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Referenties Nuclear Magnetic Resonance (Oxford Chemistry Primers #32), P.J. Hore, Oxford Science Publications, ISBN 0-19-855682-9 Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance (2nd edition), M.H. Levitt, Wiley, ISBN 978-0-470-51117-6 Understanding NMR Spectroscopy, J. Keeler, Wiley, ISBN 978-0-470-01786-9 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Elektrische Velden De wet van Coulomb beschrijft de kracht tussen twee ladingen: ~F = 1 q1 q2 ~ 1r 4π0 r2 Een klassiek voorbeeld is de afbuiging van een elektron tussen twee geladen platen: en geeft aanleiding tot het concept van een elektrisch veld dat uitgaat van de ene lading en de andere beïnvloedt: ~ ~E = F = 1 q ~1r q0 4π0 r2 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Magnetisme Het magnetische veld speelt een centrale rol in het beschrijven van de interacties tussen bewegende ladingen: ~F = q0 · ~v × ~B Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie De Magnetische Dipool (1) Een magnetische dipool heeft een magneetveld met een karakteristiek patroon van veldlijnen, en kan met de volgende vergelijkingen analytisch beschreven worden: Bµ,x = Bµ,z µ0 µ (3 sin(θ) cos(θ)) 4π r3 Bµ,y = 0 µ0 µ (3 cos2 (θ) − 1) = 4π r3 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie De Magnetische Dipool (2) Op bepaalde posities heeft de veldvector een bijzondere orientatie: parallel met het dipoolmoment op z-as antiparallel met het dipoolmoment op de x-as loodrecht op het dipoolmoment op een lijn die een hoek θ = 54.7 (waarvoor 3 cos2 (θ) − 1 = 0) met de z-as maakt. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie De Magnetische Dipool (3) De energie van een magnetische dipool in een extern veld wordt bepaald door hun sterkte en onderlinge orientatie: E=µ ~ · ~B = |~ µ| · |~B| · cos(θ) Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Inductie en EM-Golven Elektrische stromen veroorzaken magnetische velden, en veranderende magnetische velden induceren op hun beurt stromen in geleiders. Bij een wisselstroom worden elektromagnetische golven opgewekt, waarin de elektrische en magnetische velden op een gekoppelde manier evolueren, en beide functie worden van positie en tijd: ~E = ~E(~r, t); ~B = ~B(~r, t); ~B ⊥ ~E De meest volledige beschrijving van elektromagnetische fenomenen wordt gegeven door de Maxwellvergelijkingen. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie Het Quantummechanische Atoom Het klassieke "planetenstelsel" met deeltjes die een welbepaalde baan (opeenvolging van posities en snelheden) volgen, wordt vervangen door een probabilistische beschrijving met een inherent onzekerheidspricipe. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Moleculaire Orbitalen Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Kernspin Bepaalde elementaire deeltjes, zoals elektronen, neutronen en protonen, hebben een intrinsiek hoekmoment, dat spin genoemd wordt, en wordt beschreven door het spinquantumgetal I. De spin van een deeltje is een even fundamentele eigenschap als zijn massa of lading, en kan niet geïnterpreteerd worden in termen van een reële rotatiebeweging. Het intrinsieke hoekmoment van de spin p wordt beschreven door een vector ~I met een magnitude I(I + 1)~ . Voor elektronen, neutronen en protonen geldt I = 21 . In atoomkernen heffen de spins van de protonen en neutronen elkaar geheel of gedeeltelijk op, zodat de kern als geheel een spin I van 0, 12 , 1, 23 , 2, ... overhoudt. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Kernmagnetisme Het spinhoekmoment geeft aanleiding tot een magnetisch dipoolmoment µ ~: µ ~ = γ~I waarin de magnetogyrische verhouding γ een evenredigheidsconstante is die kenmerkend is voor de aard van de kern. Aangezien de kernen van verschillende isotopen van hetzelfde element verschillende aantallen neutronen bevatten, hebben ze verschillende spinquantumgetallen en gyromagnetische verhoudingen. In het NMR-jargon worden isotopen meestal nucliden genoemd. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Biologisch Relevante Nucliden Nuclide 1H 2H 12 C 13 C 14 N 15 N 16 O 17 O 18 O I 1 2 1 0 1 2 1 1 2 0 γ/107 T −1 s−1 26.75 4.11 0 6.73 1.93 -2.71 0 5 2 0 0 Lieven Buts Abundantie/% 99.985 0.015 98.89 1.108 99.64 0.36 99.756 0.037 0.205 Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Quantisatie Het hoekmoment, en bijgevolg het dipoolmoment, zijn gequantiseerd in één richting, die conventioneel als de z-as wordt gekozen. Dit betekent dat de z-component van ~I voor een kern met spinquantumgetal I enkel waarden van de vorm Iz = m~ kan aannemen. m is hierbij het magnetisch quantumgetal, en kan waarden tussen I en −I, in stappen van 1, aannemen: m = I, I − 1, I − 2, ..., −I + 1, −I h , waarbij h = 6.622 × 10−34 J.s de constante van ~ = 2π Planck is. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Invloed van een magneetveld In afwezigheid van een (significant) extern magneetveld, is de quantisatierichting (de z-as) arbitrair, en hebben alle magnetisch subtoestanden dezelfde energie. Wanneer er een sterk extern veld (~B0 met magnitude B0 ) is, aligneert de quantisatierichting zich met dit veld, en krijgen de subtoestanden elk een andere energie, bepaald door het magnetisch quantumgetal: E = m~γB0 Hierdoor ontstaan er 2I energieverschillen, die allemaal gelijk zijn aan ∆E = ~γB0 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Het Eenvoudigste Geval: I = 1/2 Wanneer I = 21 zijn er twee mogelijke energieniveau’s met m = + 12 (meestal als α genoteerd) en met m = − 12 (β). α en β zijn twee bijzondere, stationaire toestanden van een spin-1/2. In het algemeen bevindt een spin-1/2 zich in een quantummechanische superpositie van de twee stationaire toestanden: Ψ = cα α + cβ β met cα , cβ ∈ C Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Interactie met EM-Golven Een spin in een extern veld kan elektromagnetische golven (of fotonen) absorberen of uitzenden, indien aan twee voorwaarden voldaan is: de magnetische quantumgetallen van de twee toestanden waartussen de overgang plaatsvindt mogen slechts met één verschillen (dit is de selectieregel: ∆m = ±1 de energie van de fotonen, die bepaald wordt door hun frequentie ν of golflengte λ, moet overeenstemmen met het energieverchil tussen twee toestanden: ∆E = hν = Lieven Buts hc = ~γB0 λ Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Outline 1 Overzicht en Context Praktische Overwegingen Herhaling Elektromagnetisme Herhaling Moleculaire Structuurtheorie 2 Kernmagnetische Resonantie Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties 3 Samenvatting Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie NMR in het EM-Spectrum (1) Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Elementaire Onderdelen van een NMR-Spectrometer Met vroege experimentele opstellingen konden reeds nuttige spectra, zij het met beperkte resolutie van de resonantiepieken, bekomen worden. Hier wordt ethanol als voorbeeld gegeven: Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie NMR in het EM-Spectrum (2) Gammastralen � (Hz) 1022 Zichtbaar UV licht IR X-stralen 20 18 10 10 16 10 14 Microgolven 12 10 Radiogolven 10 10 8 10 10 NMR 1 19 31 13 B0 = 9.4 T 400 376 162 100 63 40 B0 = 21.2 T 900 847 365 226 140 51 9 8 H F P 2 10 C H 15 6 N � (MHz) � (ppm) 10 7 6 5 B0 = 9.4 T 4 kHz B0 = 21.2 T 9 kHz 4 3 2 1 0 Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Kernspin en Kernmagnetisme Praktische Implicaties Continuous Wave versus Puls-FT De meest voor de hand liggend manier om een NMR-spectrum op te nemen is ofwel het magneetveld variëren bij een constante RF-frequentie, ofwel de RF-frequentie variëren bij een constant magneetveld. Op deze manier komen verschillende kernen in het systeem één voor één in resonantie, elk bij hun Larmorfrequentie. Dit zijn twee variaties op het continuous wave-principe. Het is echter ook mogelijk om met een korte, krachtige RF-puls alle kernen in het systeem tegelijkertijd te exciteren, waarna ze gaan "natrillen" bij hun individuele resonantiefrequenties. Hierdoor ontstaat een complex signaal, waaruit door middel van de Fouriertransformatie de individuele frequenties weer gereconstrueerd kunnen worden. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Samenvatting (1) Elementaire deeltjes en bepaalde atoomkernen hebben magnetische eigenschappen. Ze hebben tevens een intrinsiek hoekmoment ~I, dat onderhevig is aan quantisatieregels, bepaald door het spinquantumgetal I en het magnetisch quantumgetal m. Sommige kernen, waaronder 12 C, hebben spinquantumgetal I = 0, en zijn magnetisch inert. Veel biologisch belangrijke nucliden, waaronder 1 H, 13 C en 15 N, hebben I = 12 . Ongepaarde elektronen vallen ook in deze belangrijke categorie van "spins-1/2". Kernen met I > 12 kunnen eveneens bestudeerd worden met NMR, maar worden hier verder buiten beschouwing gelaten. Elke spin-1/2 gedraagt zich als een magnetische dipool met een magnetisch moment µ ~ = γ~I, waarin γ de gyromagnetische verhouding van de spin is. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Samenvatting (2) Voor een spin-1/2 (I = 12 ) kan het magnetisch quantumgetal m twee waarden (+ 21 en − 21 ) aannemen, die overeenstemmen met twee verschillende energietoestanden van de spin in een extern magneetveld B0 . De spin-1/2 kan elektromagnetische straling absorberen als de frequentie ν van de fotonen compatibel is met het energieverschil tussen de twee magnetische toestanden volgens het verband ∆E = hν = ~γB0 Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie Overzicht en Context Kernmagnetische Resonantie Samenvatting Samenvatting (3) Een NMR-spectrometer bevat de nodige hardware om enerzijds een sterk en stabiel magneetveld B0 , en anderzijds RF-straling met een welbepaalde frequentie ν op te wekken. Het instrument kan detecteren wanneer de combinatie van deze twee parameters door resonantie aanleiding tot effectieve absorptie van de RF-straling door de kernen in het staal. In een gecompliceerd staal zullen kernen die a priori identiek zijn zich toch in verschillende chemische omgevingen bevinden, waardoor ze lichtjes verschillende resonantiefrequenties hebben. Dit geeft aanleiding tot een spectrum met verschillende absorptielijnen. Lieven Buts Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie
