• Alto campo magnético externo cria uma magnetização (alinha os spins)quebra a degenerescência dos níveis de energia

• Campo eletromagnético oscilante gira a magnetizaçãoprovoca transições entre os níveis de energia

• Interações deslocamento químico; dipolar; escalar; núcleo-elétron; quadrupolar)deslocamento e/ou desdobramento dos níveis de energiadefinem as posições das linhas de ressonância no espectro

• Relaxação longitudinal; transversaldecaimento da magnetizaçãoretorno ao equilíbrioFID (Free Induction Decay)linhas de largura não nula e intensidade finita

Relembrando - RMN

Núcleo (relativo) 0 em 14 T abundância sensibilidadenatural (relativa)

Núcleos de spin ½

Bo

E

2

0BhE

14T

1H = 600 MHz

13C = 150 MHz

14T

Núcleos de spin ½

Experimento 1D mais simples

Parâmetros:

• número de repetições – aumentar relação sinal/ruído• número de repetições “dummy” – equilibrar a amostra• largura espectral (ppm)• centro do espectro (ppm)• resolução espectral (pontos) – define tempo da aquisição (acq)• tempo morto (d1) entre as repetições (ms) – para sistema relaxar• duração (p1) e potência do pulso de 90 (us, dB)• ganho do sinal

Relaxação

Relaxações Induzidas por processos a nível molecularInterações dos spins nucleares com sua vizinhança (trocas de energia) Processos dependentes do tempo (movimento Browniano molecular)Flutuações do campo magnético local

• Relaxação longitudinal ou spin-rede (R1,T1)Troca de energia entre spin e redeSistema dissipa excesso de energia aos arredoresVolta ao equilíbrio térmico (mínima entalpia)T1 mede o tempo para que a magnetização longitudinal (em z) seja recuperadaDetermina, predominantemente, a intensidade do sinal observado

• Relaxação transversal (R2, T2)Troca de energia entre spin e spinSem mudança da energia total do sistemaProcessos independentes do tempo também irão contribuir Difusão dos spins sobre o cone (máxima entropia)T2 mede o tempo para que a magnetização transversal (em xy) seja perdidaDetermina a largura do sinal observado

http://chem.ch.huji.ac.il/nmr/techniques/other/t1t2/t1t2.html

Medida de T1 (longitudinal; spin-rede)

Após pulso de (180 )x:

Após :

Após um novo pulso de (90 )x é feita a aquisição.

A intensidade do sinal será nula em:

http://chem.ch.huji.ac.il/nmr/techniques/other/t1t2/t1t2.html

Medida de T2 (transversal; spin-spin)

Após pulso de (90 )x:

A magnetização começa a perdera coerência no plano xy:

Após é dado um novo pulso de (180 )y

que irá refocalizar a magnetização.Após a refocalização estará completa, e é feita a aquisição.

Variar =2 e obter os espectros. Simular seus máximos pela equação acima.

Mecanismos de relaxação

Cinco mecanismos de relaxação são relevantes em RMN de sistemas biológicos:

• Relaxação pela anisotropia de descolamento químico (desprezível em 1H)Campo magnético local causado pela núvem eletrônica é anisotrópico, variando com o movimento Browniano molecular.

• Relaxação dipolar (predominante em 1H)Interação dipolar é promediada a zero em líquidos, porém a rápida reorientaçãomolecular origina campos flutuantes que estimulam a relaxação.

• Relaxação via acoplamento escalarJAX pode ser dependente do tempo (relaxação escalar do primeiro tipo);campo magnético em X na posição de A pode ser modulada pela relaxação de X (relaxação escalar do segundo tipo).

• Relaxação paramagnética (presença de elétrons desemparelhados)Predomina sobre relaxações de spin nuclear

• Relaxação quadrupolar (núcleos com spin > ½)

As taxas de relaxaçãoserão função dasprobabilidades de relaxaçãoW1

I, W1S, W0

IS e W2IS.

W1I, W1

S : single quantum

SINAL

W0IS : zero quantum

W2IS : double quantum

não são observadas normal-mente, porém podem estarpresentes em mecanismosde relaxação

I S

I S

I S

I S

W1S

W1S

W1I

W1I

W2IS

W0IS

Caminhos de relaxação

Considerando um sistema I S (por exemplo 15N 1H).

sistema em equilíbrio aplicando a RF: saturando S(equalizando suas populações)

I S

I S

I S

I S

I S

I S

I S

I S

Relaxação longitudinal

sistema relaxando, caso sistema relaxando, casoW0

IS e W0IS forem nulos W0

IS e W0IS forem não-nulos

A intensidade de ressonância do spin S vai depender essencialmente da diferença de população entre os níveis de energia envolvendo transições S (no exemplo, = 2).

I S

I S

I S

I S

W1S

W1S

I S

I S

I S

I S

W1S

W1S

W2IS

W0IS

Analisando as diferenças de população intensidade do sinal

• Sistema em equilíbrio (N = 4; = 2).

Diferença de população entre os níveis de transição W1I 2 =

W1S 2 =

W0IS 0

W2IS 4 = 2

I S

I S

I S

I S

N

N

N+

N-

• aplicando a RF: saturando S (equalizando suas populações).

Diferença de população entre os níveis de transição W1I 2 =

W1S 0

W0IS 2 =

W2IS 2 =

I S

I S

I S

I S

N+ /2

N- /2

N+ /2

N- /2

• o sistema vai relaxar, tentando retornar às diferenças de população entre os níveis de transição.

No equilíbrio Fora do equilíbrio Diferença

W1I 2 = W1

I 2 = = 0 (em equilíbrio)W1

S 2 = W1S 0 = 2 = (transições)

Caso o caminho de relaxação W1S for possível, o sistema retornará ao equilíbrio sem a

necessidade de utilizar os caminhos W0IS e W2

IS .

Mas se o caminho de relaxação W1S estiver impedido, por exemplo, por uma saturação

continuamente aplicada? O sistema terá de utilizar os caminhos W0IS e W2

IS para relaxar EXPERIMENTO NOE (Nuclear Overhauser Enhancement).

• Relaxação cruzada ( ): Ocorre quando dois spins estão próximos no espaçoObtida através da medida do NOE

Experimento NOE

Considerando um sistema I S (por exemplo 15N 1H).

sistema em equilíbrio aplicando a RF: saturando S(equalizando suas populações)

I S

I S

I S

I S

I S

I S

I S

I S

Mantendo a saturação em S "ligada", o caminho W1S não poderá ser utilizado para

relaxar. O sistema só tem duas maneiras de relaxar:

No equilíbrio Fora do equilíbrio Diferença

W1I 2 = W1

I 2 = = 0 (em equilíbrio)W1

S 2 = W1S 0 = 2 = (fixa pela saturação)

W0IS 0 W0

IS 2 = = 2 = (transições)W2

IS 4 = 2 W2IS 2 = = 2 = (transições)

W0IS

I S

I S

I S

I S

W2IS

I S

I S

I S

I S W1I

W1I

W1I

W1I

Devido ao caminho W0IS teremos:

W0IS aumenta a população no topo de uma transição I

diminui a população na base da outra transição I

diminui a diferença de população entre os níveis I

diminui o sinal das transições I

N+ /2-d

N- /2+d

N+ /2

N- /2

W0IS

W1I

W1I

Devido ao caminho W2IS teremos:

W2IS diminui a população no topo de uma transição I

aumenta a população na base da outra transição I

aumenta a diferença de população entre os níveis I

aumenta o sinal das transições I

N+ /2

N- /2

N+ /2+d

N- /2-d

W1I

W1I

W2IS

Tendência de W0IS diminuir o sinal das transições I devido à saturação em S

Tendência de W2IS aumentar o sinal das transições I devido à saturação em S

Essas tendências são contrabalanceadas por W1I (que já está em equilíbrio).

Resultado líquido depende do balanço W0IS /W1

I e W2IS /W1

I

W0IS dominante sobre W1

I NOE NEGATIVO (moléculas grandes)W2

IS dominante sobre W1I NOE POSITIVO (moléculas pequenas)

Origem das transições W0IS e W2

IS : campos flutuantes devido aos dipolos nucleares.

NMR em soluções:

• movimento molecular rápido interação dipolar é promediada a zero• rápida reorientação molecular origina campos flutuantes estimulam relaxação

NOE irá depender da distância internuclear (NOE d-6)NOE fornecerá informações de distância!!

http://nmr.wvu.edu/manuals/1_d_experiments/1d_noe_difference