Немного о ЯМР Аганов АВ .Встреча в лицее. 13 января 2016 года

Немного о ЯМР
Аганов АВ .Встреча в лицее.
13 января 2016 года
2
ФИЗИКА И МЕДИЦИНА
20 век
Химия
Биология
Математика
…
Медицина
Физика
Современная
(количественная)
химия
Физика +
Математика
Количественная
биология
3
ФИЗИКА И МЕДИЦИНА
21 век
Физика
Математика
Химия
Медицина
Физика
Медицина
Управление поведением
Экономика
Социология
Психология
Политология
и др.
Биология
Физико-химия
Нейро
науки
Компьютерные
науки
(информационные
технологии)
4
Области электромагнитного поля и
соответствующие спектральные методы
длина волны:
1нм
1мкм
1мм
частота:
1015
1018
1012
1м
1км
1ГГц
1МГц
109
106
энергия
Гамма-излучение
Рентген.
излучение
Мёссбауэровская
спектроскопия
УФ
ИК
Дальний ИК
диапазон
Оптическая
спектроскопия
РСА
микроволны
радиоволны
ЭПР
ЯМР
Микроволновая
спектроскопия
Парадокс -почему наименее чувствительный метод структурного
анализа ЯМР столь универсален и эффективен?
5
Сердце спектрометра ЯМР - магнит
Магнит спектрометра
Bruker AVANCE 600 МГц
Магнит спектрометра
Varian 900 МГц
Магнит спектрометра
Bruker 1000 МГц
Почему выделяются огромные деньги на модернизацию магнитов?
6
The Nobel Prize in
Physics 1944
Isidor Isaac Rabi, USA
The Nobel Prize in
Physics 1952
Felix Bloch, USA
Edward Mills Purcell, USA
The Nobel Prize in
Chemistry 1991
Richard R. Ernst, Switzerland
The Nobel Prize in Chemistry 2002
Kurt Wűthrich , Switzerland
The Nobel Prize in Physiology or
Medicine 2003
Paul C. Lauterbur, USA
Sir Peter Mansfield, UK
За резонансный метод записи магнитных свойств
атомных ядер
За создание нового метода измерения
ядерной магнитной прецессии и
последующие связанные с ним открытия
За вклад в развитие методологии спектроскопии
ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого
разрешения
За развитие методов спектроскопии ядерного
магнитного резонанса для исследования
трехмерной структуры биологических
макромолекул в растворе
За открытия в области визуализации биообъектов
5 Нобелевских премий за развитие и 8 за
применение ЯМР!
Важнейшие научные журналы, публикующие ЯМР исследования
31.03
11.90
4.25
10.68
3.91
9.82
3.77
7.94
9.74
3.61
3.38
5.70
5.99
2.27
7
1.96
Специализированные научные журналы по ЯМР
6.25
6.02
2.30
2.06
4.44
1.91
3.45
1.86
3.36
1.53
3.27
2.70
2.85
2.57
1.42
1.40
1.24
0.83
8
Ядерный магнитный момент
Магнитный момент
элементарных частиц
~I
электрон
протон
нейтрон
hn
спин = ½
1H
=p
спин = ½
= p+n
спин = 1
3H = p+2n
спин = ½
----------------12C = 6p+6n спин = 0
13C = 6p+7n спин = ½
19F, 31P, 15N спин = ½
2H
DE = mz·Bo = hn
9
Немного физики о прецессии
𝝋≠𝟎
𝝋
𝑑𝑳
=𝑴= 𝒓∙𝑷
𝑑𝑡
L=0
𝝋
𝑑𝝁
= 𝑀 𝝁 ∙ 𝑩𝟎
𝑑𝑡
Момент силы M ┴ (r, P) и (μB0), что обуславливает движение оси вращения
волчка по конусу – прецессию.
10
Немного о физике ЯМР
избыток ядер в термодинамическом равновесии
изменяется при РЧ воздействии на резонансной
частоте и определяет интенсивность сигнала (h, S)
T1 – время установления термодинамического
равновесия в системе ядро-окружение, (спинрешеточной или продольной по z компоненте
спина) релаксации.
T2 – время спин-спиновой (поперечной) релаксации
( установление равновесия внутри спиновой
системы)
h
S
11
Еще о ЯМР параметрах
𝑰𝟏
∆𝑬 = 𝜸𝑩𝟎 𝒕
𝐵лок = 𝐵0 (1 − 𝜎)
𝑰𝟐
𝜈лок = 𝜈0 (1 − 𝜎)
𝜈лок − 𝜈0
𝜈1 − 𝜈эт
6
𝛿=
∙ 10 =
∙ 106
𝜈0
𝜈эт
∆𝑬 = 𝜸ℏ𝑩𝟎 (𝟏 − 𝝈)
𝜈1 𝜈2
𝛿 - хим.сдвиг в м.д.
∆𝑬′
∆𝐸′ ≈ 𝐽1,2 ∙ 𝑰𝟏 𝑰𝟐 𝐼1,2 - константа спин-спинового взаимодействия (КССВ)
∆𝐸′ не зависит от B0 𝜈2 − 𝜈1 = ∆𝜈н → 𝑓(𝐵0)
Обмен магнитными окружениями
𝑰𝟏
𝑰𝟐
𝝂𝟏
𝝂𝟐
𝝂𝟏
𝝂𝟐
𝑰𝑖
𝐽𝑖𝑗 𝑰𝑖 𝑰𝑗
𝝁𝒊
𝝂𝟏
𝝂𝟐
𝑘 ≈ ∆𝜈, 𝑇𝐶
𝑰𝑚
∆𝝂 = 𝝂𝟏 - 𝝂𝟐
𝝁𝑗
ЯЭО~𝑟 −6
𝑰𝑗
12
Еще о ЯМР параметрах
𝜹 (хим.сдвиг)
𝑻𝟏
𝑻𝟐
𝑱𝟏,𝟐 (КССВ)
η(ЯЭО)
k(константа
скорости обмена)
Одно- и
двухпараметровые
методы
в ЯМР 7
параметров,которые
зависят от
температуры и
свойств растворителя
13
Измеряемые параметры ЯМР
Наблюдаемые параметры
Получаемая из них информация
Химические сдвиги 1H, 13C, 15N, 19F,
31P
Отнесение сигналов, вторичная структура
белка, НК и т.д.
Интегральные интенсивности
сигналов
Количество измеряемого компонента,
кинетические характеристики
Скорости обмена подвижных
протонов на дейтерий
Положение водородных связей,
сворачивание и разворачивание белка и НК
Константы спин-спинового
взаимодействия (через
химическую связь)
Характеристика хим. связей (1J и 2J),
диэдральные углы (3J), водородные связи
(2hJ и 3hJ)
Ядерные эффекты Оверхаузера
(взаимодейств. через
пространство)
Расстояния между ядрами (1H – 1H < 5A),
динамические характеристики (1H – 15N и
т.п.)
Ширины линий, времена
релаксации ядер, кроссрелаксация
Динамика, подвижность биомолекулы,
конформационные переходы
Константы диполь-дипольного
взаимодействия
Ориентация белковых доменов и
биомолекулы в целом, динамические
эффекты
14
𝜔0 = −𝛾𝐵0
𝜇𝑖
Схематическое представление
формирования макроскопической
намагниченности
𝜇𝑗
Импульсный ЯМР
𝜽
Неподвижная СК
Вращающаяся СК
𝜽 = 𝜸𝑩𝟎 τ𝒑
𝟏
𝝂 = 𝝂𝟎 ±
𝝉𝒑
15
Ларморова прецессия вектора суммарной ядерной
намагниченности при наличии процессов релаксации
Получение спектра
ЯМР в импульсном
эксперименте
16
Важнейшие области применения методов ЯМР
в биологии и медицине
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Изучение строения и свойств низкомолекулярных биологически
активных соединений;
Определение структуры биомакромолекул (белки, НК, углеводы);
Изучение динамических свойств биомолекул;
Мониторинг белок-лигандных взаимодействий (ЯМР-скрининг
биологически активных соединений);
Изучение строения и свойств биологических мембран;
Мониторинг состава биологических жидкостей (метабономика);
Визуализация объектов живой и неживой природы (ЯМР-томография);
Мониторинг процессов, происходящих в живом организме (in-cell ЯМР,
in-vivo спектроскопия);
Исследование функциональной активности мозга (f-MRI)
Спасибо за внимание!
презентацию подготовили: А.В. Аганов
К.С. Усачев