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
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
