Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Wykład 9 pomiar NMR spektroskopia impulsowa. Pomiar widma NMR Historyczna metoda fali ciągłej pomiaru widma NMR: przemiataniu częstością pomiar absorpcji.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Wykład 9 pomiar NMR spektroskopia impulsowa. Pomiar widma NMR Historyczna metoda fali ciągłej pomiaru widma NMR: przemiataniu częstością pomiar absorpcji."— Zapis prezentacji:

1 Wykład 9 pomiar NMR spektroskopia impulsowa

2 Pomiar widma NMR 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 N S warunek rezonansu: = B / 2 E = ħB h próbka umieszczona w polu magnetycznym

3 Wymagania stawiane widmu NMR: mała duża H h S/N = 2,5 H/h 3 1/ / /2 1/2 dobra czułość ~ B 0 2, 3 ; zawartość izotopu, stężenie Akumulacja n widm sygnał rośnie n razy, szum – n 1/2 razy; poprawa S/N: n 1/2 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 wymaganie długiego czasu pomiaru, bo z zasady nieoznaczoności Heisenberga: E t h t 1

4 Metoda impulsowa w spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego 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). od lat 70. XX w. widmo NMR transformacja Fouriera czas czestotliwość FID

5 Klasyczny opis zjawiska NMR użyteczny przy rozpatrywaniu technik impulsowych opis kwantowy: BoBo E E = h m I = + 1 / 2 m I = - 1 / 2 opis klasyczny: Jądro magnetyczne traktowane jest jako dipol magnetyczny; B 0 usiłuje ustawić go zgodnie z kierunkiem B 0, ale własny moment pędu jądra wywołuje ruch precesyjny wektora precesję Larmora. Odpowiednikiem 2 stanów spinowych są - równoległa i antyrównoległa orientacja składowej Z momentu magnetycznego względem zewnętrznego pola B 0. B 0

6 Prędkość kątowa tego ruchu precesyjnego w polu B 0 wynosi 0 = - B 0 [rad/sekunda] (dla momentu p) częst. = - B 0 /2 [Hz] i nazywa się częstotliwością Larmora Absorpcja energii, h, prowadzi do inwersji wektora (zmiana stanu spinowego). Oscylujące pole B 1 w płaszczyźnie XY może powodować odwrócenie wektora. Precesja Larmora; model wektorowy Blocha Felix Bloch znak oznacza kierunek precesji

7 Namagnesowanie próbki M 0, magnetyzacja wypadkowa indywidualnych momentów jądrowych jąder stanowiących nadmiar w stanie podstawowym. Nadmiar określony rozkładem Boltzmana (N /N = e E / RT ) Wektor wypadkowej magnetyzacji (makroskopowa) zachowuje się zgodnie z zasadami fizyki klasycznej, uproszczony opis nazywa się modelem wektorowym Blocha. M0M0 x y z Próbka makroskopowa, namagnesowanie nadmiar w stanie podstawowym próbka = duży zbiór wektorków Rys. z T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry,

8 Fala radiowa, B 1 ; rotujący układ wsp ó łrzędnych Oscylujące pole magnetyczne B 1 (wzdłuż osi x): Rotujący z częstością Larmora układ współrzędnych: obraz statyczny, ruch precesyjny zamrożony Laboratoryjny układ współrzędnych: pole B 1 oscylujące ( o ) pole B 1 statyczne Rys. z T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry,

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

10 Impuls; zgodność faz Tuż po impulsie: M x = 0, M y = M o sin M z = M o cos Po impulsie 90° poszczególne spiny przerzucone są w stronę +y, są spójne w fazie zrównanie populacjiinwersja populacji max. magnetyzacja w y zerowa w z Impuls - pole B 1 (promieniowanie radiowe) działające przez b. czas (krótki) t Działanie impulsu: F = M o x B 1 obrót tego wektora o kąt = B 1 t [radiany] rotujący układ współrzędnych przed: po: pomiar

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

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

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

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

15 ta sama częstość i amplituda, różna faza skutek w kształcie linii Faza sygnału FT x y z 90 o x B1B1 MoMo Kierunek działania impulsu a faza sygnału w widmie x y z 90 o y B1B1 MoMo 90 o -x B1B1 MoMo x y z krzywa dyspersyjna rotujący układ współrzędnych część rzeczywista część urojona

16 Parametry akwizycji danych NS 16 RG 280 częstość podstawowa

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

18 Długość trwania impulsu i zasada nieoznaczoności t 1 Krótki impuls - wykorzystuje tę zasadę na naszą korzyść - monochromatyczny impuls wzbudza szeroki zakres częstości: od = 0 - 1/t do 0 +1/t warunek wzbudzenia takiego zakresu częstości : B 1 >> 2 ( – szer. spektralna) gdzie t - szerokość impulsu (czas). Impuls musi także mieć dostatecznie dużą moc. impuls selektywny, wzbudzający tylko niektóre częstości 0 p1

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

20 Czas oczekiwania, czyli czas na relaks zwłoka relaksacyjna, czas oczekiwania czas akwizycji czas repetycji sekwencji d1 aq p1 czas na powrót magnetyzacji do stanu równowagi, do osi Z (procesy relaksacji) 1 H NMR – 1 sekunda; dla specjalnych pomiarów ilościowych lub pomiarów T1 – 5 sek. 13 C 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 13 C i ilości rezonujacych jąder)

21 Zasada nieoznaczoności i czas pomiaru (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: E t ~ h/2 Dlatego FID musi być dostatecznie długo mierzony (czas aq jest obliczany przez program na podstawie SW i liczby punktów FID-u, TD) czas akwizycji d1 aq p1 t 1

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

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

24 Twierdzenie Nyquista 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 konwersja analogowo-cyfrowa, ADC nie spełnia warunku zawijanie sygnału ADC ma oganiczoną szybkość - limituje częstotliwość, a w ten sposób limituje max. SW

25 Z zasady nieoznaczoności: rozdział linii odległych o Hz wymaga czasu nie mniejszego od 1 / sek. AQ = DW * TD = TD / 2 SW AQ - czas akwizycji DW - czas pomiaru 1 punktu TD - rozmiar FIDu (liczba punktów FIDu), (np ) 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 s (DR = 0,5 - 0,25 Hz/pt) DW = 1 / 2SW Rozdzielczość cyfrowa FIDu, czas akwizycji

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

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

29 Liczba skanów (NS) Wraz ze wzrostem ilości skanów sygnał rośnie szybciej niż szum. Po n skanów szum rośnie n 1/2 raza, sygnał n razy, stosunek S/N rośnie n 1/2 raza. (stosunek sygnału do szumu)

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

31 Parametry obróbki widma funkcja 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 szum dominuje sygnał apodyzacja obciętego FIDu LB = 1

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

33 Kształt linii w NMRze 2 parametry: LB GB

34 Obróbka widm programem TopSpin 1. Przed transformacją Fouriera dobieramy następujące parametry obróbki widma 1 H NMR: a) liczba punktów widma, SI; standardowo SI = TD/2, gdzie TD – liczba punktów FIDu b) parametr poszerzenia linii, LB, standardowo dla diamagnetyków LB = ; ( 13 C: 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.

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

36 Najprostszy eksperyment dwuwymiarowy (2D) COSY COrrelation SpectroscopY spektroskopia korelacyjna t1t1 t2t2 1D 2D

37 Drugi wymiar d1 p1 t 1 p2aq (t 2 ) przygotowanieewolucjamieszaniedetekcja relaksacja i wzbudzenie conajmniej jednym impulsem

38 Drugi wymiar d1 p1 t 1 p2aq (t 2 ) przygotowanieewolucjamieszaniedetekcja t 1 jest inkrementowany cała sekencja impulsów powtarzana jest z różnymi czasami t 1

39 Drugi wymiar d1 p1 t 1 p2aq (t 2 ) przygotowanieewolucjamieszaniedetekcja conajmniej jeden impuls; wytworzenie obserwowalnej magnetyzacji poprzecznej wędrowanie magnetyzacji pomiędzy sprzężonymi spinami przeniesienie koherencji zmiana częstości precesji

40 Drugi wymiar d1 p1 t 1 p2aq (t 2 ) przygotowanieewolucjamieszaniedetekcja pomiar, czas pomiaru najczęś- ciej oznaczany t 2

41 Drugi wymiar Widmo 2- wymiarowe: t2t2 t1t1 2 t1t1 1 2 FT (t 2 ) FT (t 1 ) seria FIDów dla różnych t 1 seria widm 1D różnica faz i amplitudy ostateczna mapa w domenie 2 częstości ???

42 tr F t1t1 2 tr. Fouriera t 1 rośnie od 0 z małym interwałem; wysokość piku zależy od t 1 - oscyluje sinusoidalnie z częstością. Szczyty tych pików tworzą nowy FID, nie w funkcji czasu realnego tylko w funkcji długości interwału t 1. Nowy FID zanika ekspotencjalnie.

43 transformacja Fouriera w t 1 tr. Fouriera

44 typowa prezentacja


Pobierz ppt "Wykład 9 pomiar NMR spektroskopia impulsowa. Pomiar widma NMR Historyczna metoda fali ciągłej pomiaru widma NMR: przemiataniu częstością pomiar absorpcji."

Podobne prezentacje


Reklamy Google