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
polegajÄ…cych na generowaniu widm
powstających w wyniku oddziaływań różnych
rodzajów promieniowania z atomami i
czÄ…steczkami
Metody spektroskopowe  podstawy fizyczne i
przykłady zastosowań
Spektroskopia UV-VIS
Spektroskopia IR
Spektroskopia Ramana
Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu
JÄ…drowego
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy (NMR)  podstawy
fizyczne
Tomografia rezonansu magnetycznego (MRI)
Spektroskopia UV-VIS
Spektroskopia wykorzystujÄ…ca 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.
Widma absorpcyjne barwników
Widmo absorpcyjne melaniny i
hemoglobiny
Złożoność poziomów
energetycznych czÄ…steczek
Układ poziomów energetycznych jest różny dla atomów
różnych pierwiastków i dla różnych cząsteczek.
Spektroskopia w podczerwieni,
(spektroskopia IR)
Absorpcji promieniowania podczerwonego towarzyszÄ…
zmiany energii oscylacyjnej czÄ…steczek.
Energia ta jest skwantowana, a więc absorbowane jest tylko
promieniowanie o energiach charakterystycznych dla grup
funkcyjnych wykonujÄ…cych drgania.
Drganie grupy funkcyjnej  drganie charakterystyczne.
Częstotliwość, przy której dana grupa funkcyjna absorbuje
promieniowanie IR - częstotliwość grupowa.
Spektroskopia w podczerwieni,
spektroskopia IR
Najpowszechniej stosowanÄ… technikÄ… IR jest absorpcyjna
spektroskopia IR - otrzymywanie widm oscylacyjnych
czÄ…steczek.
W zakresie dalekiej podczerwieni obserwuje się także
widma rotacyjne.
Można ustalić jakie grupy funkcyjne są obecne w
analizowanym zwiÄ…zku.
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 polegajÄ…ca na pomiarze
promieniowania rozproszenia Ramana, czyli niesprężystego
rozpraszania fotonów.
Powstaje na skutek oddziaływania z badaną cząsteczką
fotonów o czÄ™stoÅ›ci ½0, które nie pasujÄ… do poziomów
energetycznych czÄ…steczki.
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 czÄ…steczki.
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 z
ródła
wzbudzenia używa się laserów.
Spektroskopia ramanowska wzajemnie uzupełnia się ze
spektroskopiÄ… w podczerwieni (jest do niej komplementarna).
Przykład widma ramanowskiego
Oscylacje CO2
Widmo IR i Ramana CO2
2349
667
1343
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy (NMR)
 podstawy fizyczne
Nukleony (protony i neutrony) w jÄ…drze atomu
posiadają własny moment pędu, obdarzony
wielkością i kierunkiem, zwany spinem
Dla jąder o nieparzystej liczbie nukleonów (np.
jÄ…dro wodoru) spin jest niezerowy
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy (NMR)
 podstawy fizyczne
Bo
M
DEm
B=0
Bo
żðSpiny, normalnie skierowane w różnych kierunkach, w zewnÄ™trznym
polu magnetycznym (Bo) ulegają uporządkowaniu  równolegle lub
antyrównolegle do pola magnetycznego i uzyskują właściwość zwaną
momentem magnetycznym (M)
żðTe dwa poÅ‚ożenia (stany) różniÄ… siÄ™ energiÄ… (DE).
żðOddziaÅ‚ywanie jÄ…dra atomowego z polem magnetycznym, a wiec i
różnica energii obu stanów (DE), zależy od wartości spinu jądra oraz od
indukcji pola
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy NMR
 podstawy fizyczne
Bo
M
DEm
Fala em
Bo
Zamiana tych stanów jest możliwa po pochłonięciu promieniowania
elektromagnetycznego o energii rezonansowej równej DE.
Również wektor momentu magnetycznego (M) odchyla się o
pewien kÄ…t.
Dla protonów (jąder wodoru) w polu magnetycznym o indukcji kilku
tesli częstotliwość rezonansowa fali elektromagnetycznej
odpowiada częstotliwości fal radiowych z zakresu UKF
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy
NMR
Pochłanianie energii promieniowania
elektromagnetycznego z zakresu fal radiowych
przez jądra atomów z niezerowym momentem
magnetycznym nazywamy magnetycznym
rezonansem jÄ…drowym
DE =ð hno
DE =ð hgBo
g - parametr zależny od właściwości magnetycznych danego jądra,
no  częstotliwość rezonansowa
Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu
JÄ…drowego (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 powstajÄ…cego na
skutek zjawisk relaksacji (powrotu układu spinów
jądrowych do stanu równowagi); NMR jest zatem jedną
z metod spektroskopii emisyjnych.
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy
(Nuclear Magnetic Resonance)
qð Relaksacja spinów jÄ…der zachodzi z emisjÄ…
promieniowania elektromagnetycznego o nieco innej
częstotliwości od wcześniej zaabsorbowanej.
qð Zjawisku rezonansu magnetycznemu ulegajÄ… jÄ…dra
atomowe o niezerowym spinie. SÄ… to m.in. jÄ…dra
wodoru, deuteru, izotopów 15-azotu, 13-węgla, 17-
tlenu, 31-fosforu, 29-krzemu i wiele innych.
qð Zjawisko to jest praktycznie wykorzystywane w
spektroskopii rezonansu magnetycznego w fizyce i
chemii i obrazowaniu RM (MRI) w medycynie.
Praktyczne znaczenie
spektroskopii NMR
Jądra o największym znaczeniu w spektroskopii NMR: 1H, 13C,
15
N, 19F i 31P
1
H - duża czułość i występowanie w licznych związkach
chemicznych,
13
C - węgiel jest głównym składnikiem związków
organicznych (13C ma niewielką zawartość w stosunku do 12C,
którego spin równy jest zero),
15
N - azot występuje w kluczowych w biochemii związkach
(15N ma znikomą zawartość w stosunku do izotopu 14N, 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 jÄ…der, ale umieszczonych w innych miejscach
cząsteczki, generuje sygnał NMR o nieco innej częstotliwości,
liczba sygnałów odpowiada liczbie różnych chemicznie atomów
w danej czÄ…steczce.
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)
gBo
no =ð
2pð
Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)
gBo
no =ð
2pð
Przy stałym Bo sygnał NMR jest wielkością średnią
z różnych miejsc próbki
Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)
Bo(x)
gBo
no =ð
2pð
Rezonans zachodzi tylko dla ściśle
określonej wartości Bo, protony są
wzbudzane selektywnie wzdłuż
wÄ…skiego wycinka
Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)
gBo
no =ð
2pð
Tomografia rezonansu magnetycznego
(MRI)
Pomiar powtarzany jest dla
różnych kierunków wokół
ciała pacjenta i wielkość
sygnału rezonansowego
przetwarzana jest
komputerowo na obraz
Obrazowanie za pomocÄ… 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.
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
MRI
Dziękuję za uwagę!