NMR spektroskopie

Výzkum Pracovníci Přístrojové vybavení Publikace

 

Co je Nukleární Magnetická Rezonance

 

 Nukleární Magnetická Rezonance (NMR) je jednou z nejdůležitějších spektroskopických metod používaných pro popis tvaru a pohyblivosti molekul v chemickém či materiálovém výzkumu. Význam této metody dokumentuje fakt, že za vývoj NMR bylo uděleno šest Nobelových cen (O. Stern (1943), I.I. Rabi (1944), F. Bloch a E.M. Purcell (1952), R.R.Ernst (1991), K. Wüthrich (2002), P.C. Lauterbur a P. Mansfield (2003)). Dnes lze nalézt významné aplikace NMR nejen v oblasti strukturní biologie při popisu nukleových kyselin či proteinů, ale také v průmyslu (např. ve farmacii) nebo při identifikaci takových produktů jako jsou potraviny. Současný „proteomický“ a „metabonomický“ výzkum se bez moderní NMR spektrometrie jen těžko obejde. Moderní techniky NMR spektroskopie však umožňují zkoumat nejen molekuly v roztoku, ale i v pevné fázi. Díky rozlišení a selektivitě NMR experimentů  dnes běžně popisujeme 3D molekulární uspořádání i u takových látek, které neposkytují krystaly vhodné k rentgenové difrakci. Proto můžeme NMR spektroskopii směle považovat za metodu komplementární k rentgenové difrakci.

 

Současný výzkum v Oddělení NMR spektroskopie

Hlavním úkolem Oddělení NMR spektroskopie je podílet se na řešení problematiky strukturní charakterizace polymerních materiálů. Badatelské projekty řešené v tomto oddělení jsou proto zaměřeny na rozvoj  experimentálních postupů a jejich aplikaci na širokou škálu polymerních i nepolymerních systémů. Materiálová rozmanitost prováděného badatelského výzkumu, jež plyne z rozsáhlé spolupráce uvnitř i navenek ústavu, přinesla řadu zkušeností a znalostí, které lze přenášet mezi zdánlivě nepříbuznými obory. Díky tomuto mezioborovému propojení bylo možno otevřít nové obzory při řešení složitých  problémů současné makromolekulární vědy. Základní problematiky, které spadají do oblasti našeho zájmu, lze formulovat následovně:

 

 

Některé výsledky našeho nedávného a současného výzkumu

The name is Bond, H-Bond

Ačkoli vodíková vazba nepaří mezi interakce nejsilnější, její význam pro formování organické i anorganické hmoty je zcela zásadní. Energie vodíkové vazby je dostatečná k tomu, aby stabilizovala strukturu biomakromolekul, jako jsou  nukleové kyseliny či bílkoviny, a tak zajistila jejich správnou funkci. Na druhou stranu je vodíková vazba natolik labilní, aby existující systém mohl dostatečně účinně reagovat na změnu vnějších podmínek a adaptovat se na nové. Vodíkové vazby také zásadním způsobem ovlivňují vlastnosti mnoha látek a materiálů, které nás obklopují a mají zásadní roli pro řadu chemických reakcí. Proto se zkoumání formování a dynamického chování makromolekulárních útvarů poutaných vodíkovými vazbami věnuje na našem pracovišti značná pozornost. Nedávné výzkumy vedené dr. J. Křížem přinesly nové poznatky a objasnění kooperativity vodíkových vazeb mezi makromolekulami. Pomocí tří navazujících studií s různými metodami NMR a teoretických výpočtů byly prokázány dva hlavní faktory kooperativního chování intermolekulárních vodíkových vazeb: a) entropický zisk uvolněných nízkomolekulárních ligandů a b) proximitní efekt, daný chemickým sřetězením skupin. Obě zjištění jsou v chemické literatuře originální a přispěly k chápání autoorganizace jak syntetických tak zejména přírodních makromolekul.

 

  • Kříž, J., Dybal, J., Makrlík, E., Vaňura, P., Moyer B., A., J. Phys. Chem. B, 115, 7578 (2011).
  • Kříž, J., Dybal, J, Chem. Phys., 382, 104 (2011).
  • Kříž, J.; Dybal, J. J. Phys. Chem. B, 114, 3140 (2010).
  • Kříž, J.; Dybal, J.; Tuzar, Z.; Kadlec, P.  J . Phys. Chem. B, 113, 11950 (2009).
  • Kříž, J., Dybal, J. J. Phys. Chem. B, 111, 6118 (2007).
  • Kříž, J., Dybal, J., Brus, J. J. Phys. Chem. B, 110, 18338 (2006).
  • Kříž, J., Dybal J. J. Phys. Chem. B, 109,13436 (2005).

 

Pohled do světa polymerních nanokompozitů

Jmenovatelem většiny výzkumných aktivit laboratoře NMR spektroskopie pevného stavu je rozvoj a aplikace technik separace lokálních polí. V této souvislosti jsme rozvinuli postupy popisu heterogenních polymerních soustav umožňující určení velikosti domén o rozměrech 1-20 nm.  Posléze jsme se soustředili na měření meziatomových vzdáleností a určení lokální struktury částečně uspořádaných nanokompozitů. Současně s tím jsme vyvíjeli experimentální postupy pro popis dynamiky  polymerních segmentů  s cílem interpretovat získané parametry ve smyslu geometrie pohybu. Ukázali jsme, že navržené postupy lze použít k analýze průmyslově vyráběných nanokompozitů na bázi polyamidu-6 a montmorilonitu. V této souvislosti se také podařilo získat  termodynamické parametry, jako je změna Gibbsovy energie způsobená změnou konformační entropie, a tato data korelovat s materiálovými vlastnostmi. Následně jsme prokázali aplikovatelnost navržených postupů i pro popis systémů nad teplotou skelného přechodu. Mezi tyto materiály patří polymerní sítě s hierarchickou architekturou na bázi poly(propylen oxidu) a polysilsesquioxanů (POSS). V těchto produktech se část polymerní matrice nachází v kaučukovitém stavu, zatímco POSS jednotky se organizují až do krystalických domén. Mimo jiné jsme v krystalitech POSS bloků nalezli vysoce-amplitudové pohyby molekulárních segmentů, které jsou odpovědné za zvýšenou termální stabilitu. Získané výsledky byly publikovány v sérii vědeckých článků:

  • Matějíček, P., Brus, J., Jigounov, A., Pleštil, J., et al., Macromolecules 44, 3847 (2011).
  • Brus, J., Čubová Urbanová, M., Šeděnková, I., Brusová, H., Int. J. Pharm. 409, 62 (2011).
  • Spěváček, J., Hanyková, L., Labuta, J., Macromolecules 44, 2149 (2011).
  • Spěváček J., Current Opinion in Colloid & Interface Science 14, 184-191, (2009).
  • Brus J, Urbanova M, Strachota A. Macromolecules 41 (2), 372-386 (2008).
  • Spěváček J.,  Brus J., Divers T.,  Grohens Y. Eur. Polymer J. 43, 1866 (2007).
  • Brus J, Urbanova M, Kelnar I, Kotek J. Macromolecules 39 (16): 5400, (2006).
  • Brus J, Urbanova M. J. Phys. Chem. A 109 (23): 5050, (2005).
  • Brus J., Jegorov A. J. Phys. Chem. A, 108(18); 3955, (2004).
  • Brus J., Spirkova M, Hlavata D, Strachota A. Macromolecules 37, (4) 1346 (2004).

 

 Možnosti studia a další informace

Vedle základního výzkumu pracovníci Oddělení NMR spektroskopie školí studenty vysokých škol v programech postgraduálního doktorského studia. Každoročně také otevíráme pozici pro zahraniční studenty v rámci ojedinělého UNESCO/IUPAC kursu polymerní chemie.

Mnohem více informací o dění v oddělení, řešených projektech, aktualitách, novinkách ve vědě, možnostech studia či zaměstnání naleznete na webu Společné laboratoře NMR spektroskopie pevného stavu. Tam je možno též nalézt řadu studijních materiálů, přednášek a textů, úplný seznam našich publikací a také odkazů na proběhlé a plánované aktivity pořádané v Oddělní NMR spektroskopie a ve Společné laboratoři.

 

Výše uvedené badatelské programy přímo vybízejí k úzké spolupráci, jak s metodicky zaměřenými odděleními, jako je Oddělení vibrační a molekulární spektroskopie, tak i s odděleními materiálově zaměřenými (např. Oddělení biolékařských polymerů). Přirozeným prostředím pro badatelskou činnost oddělení je Centrum výzkumu struktury a dynamiky makromolekul.

BIOpolymerní POstdoktorandská Laboratoř a vzdělávácí centrum  - BIOPOL

Centrum polymerních materiálů a technologií Otty Wichterla - CPMTOW

Centrum biomedicinálních polymerů - CBMP

Ústav makromolekulární chemie AV ČR v.v.i.

Heyrovského nám. 2
162 06 Praha 6
tel:+420 296 809 111
fax:+420 296 809 410