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Peter J Hore Nuclear Magentic Resonance Oxford Chemistry Press vol 32

Peter J Hore Nuclear Magentic Resonance Oxford Chemistry Press vol 32. Biomolecular Structures. New folds per year. The Nobel Prize in Physics 1952 "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith”

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Peter J Hore Nuclear Magentic Resonance Oxford Chemistry Press vol 32

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Presentation Transcript

  1. Peter J HoreNuclear Magentic ResonanceOxford Chemistry Press vol 32

  2. Biomolecular Structures

  3. New folds per year

  4. The Nobel Prize in Physics 1952 "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith” Felix Bloch Edward Mills Purcell The Nobel Prize in Physics 1943 "for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton" Otto Stern The Nobel Prize in Physics 1944 "for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei" Isidor Isaac Rabi

  5. The Nobel Prize in Chemistry 1991 "for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy" Richard R. Ernst The Nobel Prize in Chemistry 2002 "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution” Kurt Wüthrich 1/2 of the prize

  6. The Nobel Prize in Physics 2003 ”for pioneering contributions to the theory of superconductors” Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg 1/3 of the prize 1/3 of the prize The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging” Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield

  7. Che cosa è uno spin

  8. Che cosa è un momento angolare Il momento angolare o momento della quantità di moto o impulso angolare di un corpo rotante rispetto al centro attorno al quale gira (detto anche polo) è un'importante grandezza che caratterizza il moto circolare. Fisicamente è • Il momento angolare è definito come il prodotto vettoriale tra il vettore posizione (rispetto alla stessa origine) e il vettore quantità di moto:L=r X mv • Il modulo di è quindi definito da: L=rmv sinq. • La direzione di è perpendicolare al piano definito da r e da mv ; il verso è quello di un osservatore che vede ruotare in senso antiorario.

  9. Che cosa è un momento angolare di spin Lo SPIN è una forma di momento angolare. A differenza del momento angolare classico, esso NON è prodotto dalla rotazione di un oggetto intorno ad un asse ma è una intrinseca proprietà dell’oggetto studiato. Relazione tra spin e momento angolare di spin S= [S(S+1)]½ h/2p

  10. Spin e momento angolare di spin Ad una particella, dotata di spin S (dove S ha tipicamente valore ½) è associato un momento angolare di spin dato da [S(S+1)]½ h/2p Dove h/2p è una costante di proporzionalità chiamata costante di Planck h/2p= 1,054x10-34 Js-1 = ħ

  11. Che cosa è un momento magnetico Il momento magnetico è un VETTORE che misura la capacità di un oggetto di interagire con i campi magnetici Minima energia quando il momento magnetico ed il campo magnetico sono paralleli E= -mB cosq bussola Il Magnetismo si occupa si studiare le proprietà magnetiche delle sostanze, ovvero da che cosa dipende il momento magnetico m di una sostanza

  12. Che cosa è un momento magnetico di spin Ad ogni momento angolare di spin viene associato un momento magnetico di spin Figure 2.5 Levitt La costante di proporzionalità tra il vettore momento angolare ed il vetore momento magnetico è detta RAPPORTO GIROMAGNETICO m= -gS Il rapporto giromangetico è una proprietà intrinseca di ogni particella

  13. Che cosa è un momento magnetico di spin SPIN S=1/2 S= [S(S+1)]½ h/2p Momento angolare di spin m= -gS Momento magnetico di spin

  14. Che cosa è un momento magnetico di spin Ogni spin quindi si comporta come un piccolo ago di una bussola. Quando viene immerso in un campo magnetico, lui tende ad orientarsi lungo il campo magnetico in modo da assumere il minimo di energia E= -mB cosq = -gS cosq m B q

  15. Quantizzazione Il concetto di spin è associato alla meccanica quantistica, ovvero alla fisica che descrive il comportamento dei sistemi con particelle “infinitamente piccole” ovvero non trattabili con le regole della fisica classica. In accordo alla meccanica quantistica, l’energia della interazione tra il momento magnetico di spin ed il campo magnetico non puo’ essere “qualsiasi”, ma puo’ assumere solo valori definiti NO

  16. Quantizzazione Il concetto di spin è associato alla meccanica quantistica, ovvero alla fisica che descrive il comportamento dei sistemi con particelle “infinitamente piccole” ovvero non trattabili con le regole della fisica classica. In accordo alla meccanica quantistica, l’energia della interazione tra il momento magnetico di spin ed il campo magnetico non puo’ essere “qualsiasi”, ma puo’ assumere solo valori definiti E= -mB cosq = -g[S(S+1)]1/2ħ B cosq E= = -għ m B m=+1/2 , -1/2

  17. Quantizzazione Quindi, quando uno particella con uno spin S=1/2 è immersa in un campo magnetico, ci sono solo due valori di Energia possibili (permessi) E= +1/2ħg B E= -1/2ħg B E= -mB cosq = -g[S(S+1)]1/2ħ B cosq E= = -ħg m B m=+1/2 , -1/2

  18. Spettro delle radiazioni elettromagnetiche by Andreas Kamlowski

  19. Relazione fra energia e frequenza E = hn h = costante di Plank 6.62 x 10-34 J s E

  20. Come è fatto un nucleo Isotopi, Isotopomeri Tabella periodica

  21. Nota bene Un momento angolare di spin si indica generalmente con la lettera S Molto spesso quando si trattano argomenti di questo tipo, si usano due lettere distinte per distinguere uno momento angolare o un numero quantico di spin elettronico da uno di spin nucleare S I

  22. A 12 1 16 X C H O Z 6 1 8 Ripasso.Nuclidi Un nuclide è un atomo caratterizzato dal numero atomico Z (numero di protoni) e dal numero di massa A (numero di neutroni e di protoni). Il nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni. Il numero Z caratterizza la specie atomica.

  23. Proprietà magnetiche delle particelle subatomiche Ogni protone ed ogni neutrone possiede un numero quantico di spin I= +-1/2, in analogia alla situazione che voi già conoscete per gli elettroni. Ad ogni nucleo sarà associato un numero quantico di spin nucleare che è la somma di tutti i numeri di spin dei nucleoni. Analogamente agli elettroni, i nucleoni tendono ad “appaiare” lo spin. Tutti gli isotopi con un numero dispari di PROTONI O DI NEUTRONI nucleoni hanno un numero quantico di spin I≠0. Per i nucleoni piu’ pesanti, la regola di “massimo appaiamento” non è sempre verificata, per cui alcuni isotopi hanno numero quantico di spin >1/2. Alcuni nucleoni con numero di massa pari possiede I=1,2,3.. Mentre alcuni isotopi con numero di nucleoni dispari possiede I=3/2, 5/2, 7/2..

  24. Spin nucelare e nuclidi Protoni Neutroni I pari pari 0 dispari dispari 1,2,3 dispari pari ½,3/2, 5/2, 7/2 pari dispari ½,3/2, 5/2, 7/2

  25. NMR-active nuclei with different spin numbers I=0 I=1/2, 3/2, 5/2 I=1,2,3

  26. Nuclei NMR-attivi Tutti i nuclidi con un numero quantico di spin nucleare I diverso da zero sono NMR attivi, Ovvero possono essere studiati via NMR Per i piu’ comuni studi NMR vengono utilizati solo quei nuclidi con spin nucleare I=1/2

  27. NMR-active nuclei with different spin numbers 11H, 21H, 42He, 126C,136C, 147N, 157N, 168O, 178O, 199F, 2311Na, 2713Al 3115P, 3517Cl, 5426Fe

  28. NMR-active nuclei with different spin numbers I=0 I=1/2, 3/2, 5/2 I=1,2,3 42He, 126C,168O, 5426Fe 11H, 136C, 157N, 178O, 199F, 2311Na,2713Al 3115P, 3517Cl, 21H, 147N,

  29. NMR-active nuclei with different spin numbers I=1/211H, 136C, 3115P, 199F, 157N I=3/22311Na3517Cl I=5/2178O 2713Al

  30. 12 14 C C 6 6 13 C 6 Isotopi Nuclidi con lo stesso Z ma differente A possono esistere e si chiamano isotopi. Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale.

  31. 12 14 C C 6 6 13 C 6 NMR e tabella periodica Su questa base, quasi tutti gli elementi avranno almeno 1 isotopo NMR attivo 98,9 % 1,11 % tracce

  32. Nuclide Massa relativa % di nuclidi 1H 1,007825 99,985 2H 2,014102 0,015 3He 3,016030 ~ 10-4 4He 4,002604 ~ 100 6Li 6,015126 7,42 7Li 7,01605 92,58 9Be 9,012186 ~ 100 10Be 10,013535 tracce 10B 10,012939 19,6 11B 11,009305 80,4 11C 11,011433 tracce 12C 12, 98,89 13C 13,003354 1,11 14C 14,003142 tracce Isotopi naturali di alcuni elementi 

  33. Alcuni Isotopi e loro proprietà 

  34. Alcuni Isotopi e loro proprietà 

  35. Alcuni Isotopi e loro proprietà 

  36. Alcuni Isotopi e loro proprietà 

  37. Momento Magnetico Ad un momento angolare di spin I è sempre associato un momento magnetico di spin m m B0 m=gI m Un momento magnetico può essere considerato come una piccola calamita. Come tale, se immersa in un campo magnetico, essa puo’ orientarsi in modo parallelo o antiparallelo al campo magnetico applicato esterno.

  38. Momento Magnetico Ad un momento angolare di spin I è sempre associato un momento magnetico di spin m m B0 m=gI m Il rapporto giromagnetico g è una costante di proporzionalità tra il numero quantico di spin ed il momento magnetico. In pratica, due nuclidi con stesso valore di I (es: 11H e 136C) hanno un diverso momento magnetico perché ogni nuclide ha un proprio valore di g.

  39. Rapporto giromagnetico E= = -ħg m B DE= =ħg B La separazione in energia dipende dal valore del rapporto giromagnetico

  40. L’energia della transizione NMR m=-1/2 E m=+1/2 B0 Il campo magnetico B0 serve per creare la separazione di energia tra i 2 livelli I due livelli energetici sono degeneri se B0=0

  41. L’energia della transizione NMR m=-1/2 E m=+1/2 B0 Il campo magnetico B0 serve per creare la separazione di energia tra i 2 livelli I due livelli energetici sono degeneri se B0=0

  42. B0 B0 B0 Come si distribuiscono gli spin nei vari livelli energetici?

  43. Statistica di Boltzmann N up -N low N up = DE/2kT ca. 10-4-10-5 = e -DE/kT N up +N low N low La differenza di popolazione dipende dalla differenza di energia tra i due livelli La differenza di popolazione tra il livello fondamentale ed il livello eccitato è molto piccola D- Me ne importa qualcosa? R- ECCOME! La differenza di popolazione determina il numero di spin che effettivamente prendono parte alla transizione

  44. Magnetizzazione osservabile B0

  45. Magnetizzazione osservabile B0

  46. Magnetizzazione osservabile B0

  47. Magnetizzazione osservabile B0

  48. Momento Magnetico m=+1/2 m=-1/2 E=+1/2ħg B E=-1/2ħg B

  49. Momento Magnetico Il momento magnetico non è un oggetto statico, ma puo’ essere descritto come una trottola, che possiede una certa velocità angolare , tipica di ogni spin

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