Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku analityka medyczna

Metody spektroskopowe –

podstawy fizyczne i przykłady zastosowań

Hanna Trębacz

Katedra i Zakład Biofizyki

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

2012/2013

Spektroskopia



nazwa wszelkich technik analitycznych
polegających na generowaniu widm
powstających w wyniku oddziaływań różnych
rodzajów promieniowania z atomami i
cząsteczkami

Metody spektroskopowe – podstawy fizyczne i
przykłady zastosowań



Spektroskopia UV-VIS



Spektroskopia IR



Spektroskopia Ramana



Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu
Jądrowego



Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) – podstawy
fizyczne



Tomografia rezonansu magnetycznego (MRI)



Spektroskopia wykorzystująca promieniowanie
elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego
("VIS") oraz bliskiego ultrafioletu ("UV") i bliskiej
podczerwieni (

długość fali od 200 nm do 1100 nm).



Urządzeniem służącym do badań za pomocą tej techniki
jest spektrofotometr UV-VIS

(umożliwia ilościowy

pomiar transmisji lub odbicia światła przez próbkę)



Spektroskopia UV-VIS jest rutynowo stosowana w
ilościowej analizie jonów metali przejściowych i
roztworów związków organicznych.

Spektroskopia UV-VIS

Widma absorpcyjne barwników

Widmo absorpcyjne melaniny i
hemoglobiny

Złożoność poziomów
energetycznych cząsteczek

Układ poziomów energetycznych jest różny dla atomów
różnych pierwiastków i dla różnych cząsteczek.

Spektroskopia w podczerwieni,

(spektroskopia IR)



Absorpcji promieniowania podczerwonego towarzyszą
zmiany energii oscylacyjnej cząsteczek.



Energia ta jest skwantowana, a więc absorbowane jest tylko
promieniowanie o energiach charakterystycznych dla grup
funkcyjnych

wykonujących drgania.



Drganie grupy funkcyjnej

– drganie charakterystyczne.



Częstotliwość, przy której dana grupa funkcyjna absorbuje
promieniowanie IR -

częstotliwość grupowa.

Spektroskopia w podczerwieni,

spektroskopia IR



Najpowszechniej stosowaną techniką IR jest absorpcyjna
spektroskopia IR - otrzymywanie widm oscylacyjnych
cząsteczek.



W zakresie dalekiej podczerwieni

obserwuje się także

widma rotacyjne.



Można ustalić jakie grupy funkcyjne są obecne w
analizowanym związku.



Analizę zarówno struktury cząsteczek jak i ich
oddziaływania z otoczeniem.



Jedna z podstawowych metod stosowanych w badaniu
wiązań wodorowych.

Spektroskopia w podczerwieni,

(spektroskopia IR)



Widma IR są bardzo złożone - nie zdarza się, aby dwa różne
związki chemiczne miały w całym zakresie identyczne widma.



Dostępne są bazy danych z częstościami określonych pasm w
związkach chemicznych, co pozwala na identyfikację związków
w badanej próbce.

Spektroskopia Ramana
(spektroskopia ramanowska)



Technika spektroskopowa polegająca na pomiarze
promieniowania rozproszenia Ramana, czyli niesprężystego
rozpraszania fotonów.



Powstaje na skutek oddziaływania z badaną cząsteczką
fotonów o częstości ν

0

, które nie pasują do poziomów

energetycznych cząsteczki.

Rozpraszanie ramanowskie

Widmo ramanowskie składa się z:

-

maksimum rozpraszania Rayleigha (duże natężenie, długość

fali taka sama jak długość fali wzbudzającej),

-

szeregu maksimum stokesowskich (niższe częstotliwości,

większe długości fali),

-

szeregu maksimów antystokesowskich (wyższe częstotliwości,

mniejsze długości fali).

O aktywności drgań w widmie rozproszenia Ramana decyduje
symetria cząsteczki.

Promieniowanie wzbudzające musi być monochromatyczne,
aby można było zaobserwować nawet nieznaczne
przesunięcia w widmie.

Spektroskopia Ramana

(spektroskopia ramanowska)



Spektroskopia ramanowska (podobnie jak spektroskopia
absorpcyjna w podczerwieni) należy do technik badania widm
oscylacyjnych materiałów.



Może być stosowana zarówno do gazów, cieczy, jak i ciał
stałych.



W większości spektrometrów ramanowskich jako źródła
wzbudzenia używa się laserów.



Spektroskopia ramanowska wzajemnie uzupełnia się ze
spektroskopią w podczerwieni (jest do niej komplementarna).

Przykład widma ramanowskiego

Oscylacje CO

2

Widmo IR i Ramana CO

2

667

2349

1343

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)
– podstawy fizyczne



Nukleony (protony i neutrony) w jądrze atomu
posiadają własny moment pędu, obdarzony
wielkością i kierunkiem, zwany spinem



Dla jąder o nieparzystej liczbie nukleonów (np.
jądro wodoru) spin jest niezerowy

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)
– podstawy fizyczne



Spiny, normalnie skierowane w różnych kierunkach, w zewnętrznym
polu magnetycznym (B

o

) ulegają uporządkowaniu – równolegle lub

antyrównolegle do pola magnetycznego i uzyskują właściwość zwaną
momentem magnetycznym (M)



Te dwa położenia (stany) różnią się energią (

D

E).



Oddziaływanie jądra atomowego z polem magnetycznym, a wiec i

różnica energii obu stanów (

D

E), zależy od wartości spinu jądra oraz od

indukcji pola

B=0

B

o

D

Em

B

o

M

Magnetyczny rezonans jądrowy NMR
– podstawy fizyczne



Zamiana tych stanów jest możliwa po pochłonięciu promieniowania

elektromagnetycznego o energii rezonansowej równej

D

E.



Również wektor momentu magnetycznego (M) odchyla się o

pewien kąt.



Dla protonów (jąder wodoru) w polu magnetycznym o indukcji kilku
tesli

częstotliwość rezonansowa fali elektromagnetycznej

odpowiada częstotliwości fal radiowych z zakresu UKF

B

o

D

Em

B

o

Fala em

M

Magnetyczny rezonans jądrowy
NMR



Pochłanianie energii promieniowania
elektromagnetycznego z zakresu fal radiowych
przez jądra atomów z niezerowym momentem
magnetycznym nazywamy magnetycznym
rezonansem jądrowym



g -

parametr zależny od właściwości magnetycznych danego jądra,



n

o

– częstotliwość rezonansowa

o

B

h

E

g



D

o

h

E

n



D

Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu
Jądrowego (Spektroskopia NMR)



-

jedna z najczęściej stosowanych obecnie technik

spektroskopowych w chemii i medycynie;



-

polega na wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących

się w zewnętrznym polu magnetycznym poprzez szybkie
zmiany pola magnetycznego, a następnie rejestrację
promieniowania elektromagnetycznego powstającego na
skutek zjawisk relaksacji (powrotu układu spinów
jądrowych do stanu równowagi); NMR jest zatem jedną
z metod spektroskopii emisyjnych.



Relaksacja spinów jąder zachodzi z emisją
promieniowania elektromagnetycznego o nieco innej
częstotliwości od wcześniej zaabsorbowanej.



Zjawisku rezonansu magnetycznemu ulegają jądra
atomowe o niezerowym spinie. Są to m.in. jądra
wodoru,

deuteru, izotopów 15-azotu, 13-węgla, 17-

tlenu, 31-fosforu, 29-krzemu i wiele innych.



Zjawisko to jest praktycznie wykorzystywane w
spektroskopii rezonansu magnetycznego w fizyce i
chemii i obrazowaniu RM (MRI) w medycynie.

Magnetyczny rezonans jądrowy

(Nuclear Magnetic Resonance)

Praktyczne znaczenie

spektroskopii NMR



Jądra o największym znaczeniu w spektroskopii NMR:

1

H,

13

C,

15

N,

19

F i

31

P



1

H -

duża czułość i występowanie w licznych związkach

chemicznych,



13

C -

węgiel jest głównym składnikiem związków

organicznych (

13

C ma niewielką zawartość w stosunku do

12

C,

którego spin równy jest zero),



15

N -

azot występuje w kluczowych w biochemii związkach

(

15

N ma znikomą zawartość w stosunku do izotopu

14

N, który

ma niezerowy moment kwadrupolowy co poszerza sygnały
NMR),



19

F -

duża czułość,



31

P -

wstępowanie z związkach organicznych (w tym DNA)

Spektroskopia NMR



Ten sam rodzaj jąder, ale umieszczonych w innych miejscach
cząsteczki, generuje sygnał NMR o nieco innej częstotliwości,
liczba sygnałów odpowiada liczbie różnych chemicznie atomów
w danej cząsteczce.



Położenie sygnału w widmie NMR jest określane za pomocą tzw.
przesunięcia chemicznego. Przesunięcia chemiczne w NMR
wyraża się w jednostkach ppm (parts per million).

Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)



g

n

2

o

o

B



Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)



g

n

2

o

o

B



Przy stałym B

o

sygnał NMR jest wielkością średnią

z różnych miejsc próbki

Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)

B

o

(x)



g

n

2

o

o

B



Rezonans zachodzi tylko dla ściśle
określonej wartości Bo, protony są
wzbudzane selektywnie wzdłuż
wąskiego wycinka

Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)



g

n

2

o

o

B



Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)

Pomiar powtarzany jest dla
różnych kierunków wokół
ciała pacjenta i wielkość
sygnału rezonansowego
przetwarzana jest
komputerowo na obraz

Obrazowanie

za pomocą NMR

MRI

Przydatność MRI jest najbardziej widoczna w przypadku
centralnego układu nerwowego. Większość schorzeń
mózgu i rdzenia kręgowego jest związana ze zmianami w
zawartości wody, co właśnie odzwierciedlają zdjęcia MRI.

MRI

Tomografia rezonansu magnetycznego to jedna z
najlepszych metod diagnostycznych w chorobach mózgu.

Neurologia
Diagnostyka i leczenie
stwardnienia rozsianego
Leczenie w chorobie
Parkinsona

Onkologia
Rozpoznanie choroby,
śledzenie postępów leczenia
Bardzo dokładne określenie
rozmiarów guza
nowotworowego

Dziękuję za uwagę!