Un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de mesa ( espectrómetro de RMN de mesa ) se refiere a un espectrómetro de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier (FT-NMR) que es significativamente más compacto y portátil que los equivalentes convencionales, de modo que es portátil y puede residir en una mesa de laboratorio. Esta conveniencia proviene del uso de imanes permanentes, que tienen un campo magnético más bajo y una sensibilidad menor en comparación con los imanes de RMN superconductores enfriados con criógeno, mucho más grandes y costosos. En lugar de requerir infraestructura dedicada, salas e instalaciones extensas, estos instrumentos de mesa se pueden colocar directamente en la mesa de un laboratorio y moverse según sea necesario ( por ejemplo, a la campana extractora). Estos espectrómetros ofrecen un flujo de trabajo mejorado, incluso para usuarios novatos, ya que son más sencillos y fáciles de usar. Se diferencian de los relaxómetros en que pueden usarse para medir espectros de RMN de alta resolución y no se limitan a la determinación de parámetros de relajación o difusión ( p. ej., T1, T2 y D).
La primera generación de espectrómetros de RMN utilizaba grandes electroimanes que pesaban cientos de kilogramos o más. En las décadas de 1960 y 1970 se desarrollaron sistemas de imanes permanentes ligeramente más pequeños con frecuencias de resonancia de protones de 60 y 90 MHz y se utilizaron ampliamente para análisis químicos utilizando métodos de onda continua , pero estos imanes permanentes todavía pesaban cientos de kilogramos y no podían colocarse en una mesa de trabajo. . Los imanes superconductores se desarrollaron para lograr campos magnéticos más fuertes para una mayor resolución y mayor sensibilidad. Sin embargo, estos imanes superconductores son caros, grandes y requieren instalaciones de construcción especializadas. [1] Además, los criógenos necesarios para los superconductores son peligrosos y representan un coste de mantenimiento continuo. [2] [3] [ ¿ fuente poco confiable? ] Como resultado, estos instrumentos generalmente se instalan en salas o instalaciones dedicadas a RMN para uso de múltiples grupos de investigación.
Desde principios de la década de 2000 ha habido un renacimiento en la tecnología y el diseño de imanes permanentes, [4] con avances suficientes para permitir el desarrollo de instrumentos de RMN mucho más pequeños con resolución y sensibilidad útiles para la educación, la investigación y las aplicaciones industriales. [5] Los ferromagnetos duros de samario-cobalto y neodimio han reducido el tamaño de los imanes permanentes de RMN y se han alcanzado campos de hasta 2,9 T, correspondientes a una frecuencia de Larmor de protones de 125 MHz. Estos diseños, que funcionan con temperaturas magnéticas desde temperatura ambiente hasta 60 °C, permiten fabricar instrumentos lo suficientemente pequeños como para caber en una mesa de laboratorio y son seguros para operar en un entorno de laboratorio típico. Requieren sólo energía local monofásica y, con UPS, los sistemas pueden hacerse portátiles y realizar análisis de RMN en diferentes puntos de un área de fabricación.
Una de las mayores desventajas de los espectrómetros de RMN de campo bajo (0,3-1,5 T) es la dependencia de la temperatura de los imanes permanentes utilizados para producir el campo magnético principal. Para los imanes pequeños existía la preocupación de que la intensidad de los campos magnéticos externos pudiera afectar negativamente al campo principal; sin embargo, el uso de materiales de protección magnética dentro del espectrómetro elimina este problema. Los espectrómetros disponibles actualmente se trasladan fácilmente de un lugar a otro, incluidos algunos que están montados en carros portátiles con fuentes de alimentación continua. [6] Otra dificultad relacionada es que los espectrómetros disponibles actualmente no admiten temperaturas de muestra elevadas que pueden ser necesarias para algunas mediciones in situ en reacciones químicas.
Un artículo reciente sugiere que una configuración experimental especial, con dos o más bobinas y osciladores sincrónicos, puede ayudar a superar este problema [7] y permitirle trabajar con campos magnéticos inestables y con osciladores asequibles.
Los espectros de RMN adquiridos en campos bajos sufren una menor dispersión de la señal, lo que también conduce a espectros más complicados con señales superpuestas y efectos de orden superior. [8] La interpretación completa de dichos espectros requiere un análisis espectral de mecánica cuántica computacional, [9] para espectros de RMN 1H-1D, también conocidos como HiFSA. [10]
La espectroscopía de RMN se puede utilizar para análisis químicos, [11] [12] monitoreo de reacciones, [13] y experimentos de control y garantía de calidad. Los instrumentos de campo superior permiten una resolución incomparable para la determinación de estructuras, particularmente para moléculas complejas. Los instrumentos de campo medio y bajo, más baratos, más robustos y más versátiles, tienen suficiente sensibilidad y resolución para el monitoreo de reacciones y análisis de calidad y control de calidad. [1] Como tal, la tecnología de imanes permanentes ofrece el potencial de ampliar la accesibilidad y disponibilidad de la RMN a instituciones que no tienen acceso a espectrómetros superconductores ( por ejemplo, estudiantes universitarios principiantes [14] o pequeñas empresas).
Durante la última década se han desarrollado muchas aplicaciones automatizadas que utilizan enfoques de análisis estadístico multivariado (quimiometría) para derivar correlaciones de propiedades estructurales y químicas y físicas entre espectros de RMN 1H de 60 MHz y datos de análisis primarios, particularmente para aplicaciones de control de procesos petroquímicos y petroleros. [15] [16]
El desarrollo de esta nueva clase de espectrómetros comenzó a mediados de la década de 2000, siendo esta una de las últimas técnicas de espectroscopia molecular disponibles para uso en mesa.
El instrumento Spinsolve de Magritek , con sede en Nueva Zelanda y Alemania , que funciona a 90 MHz, [17] 80 MHz, [18] y 60 MHz, [19] ofrece muy buena sensibilidad y resolución inferior a 0,4 Hz y pesa 115 kg, 73 kg y 60 kg respectivamente. El modelo ULTRA [20] tiene una resolución aún mayor de 0,2 Hz con una forma de línea de 0,2 Hz/6 Hz/12 Hz comparable a las especificaciones de RMN de alto campo. Se pueden medir 1H Protón, 19F Flúor, 13C Carbono, 31P Fósforo y otros núcleos X como 7Li, 23Na, 29Si y otros. Se pueden incluir múltiples núcleos X en un solo espectrómetro, sin pérdida de sensibilidad, utilizando la opción Multi X. [21] Se puede adquirir una amplia gama de espectros de RMN, incluidos espectros 1D, 1D con desacoplamiento, supresión de disolventes, DEPT, T1, T2 y 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COZY y JRES . Se incluyen gradientes de campo pulsado para espectroscopia y también se pueden agregar gradientes de campo pulsado de difusión [22] opcionales. El imán está estabilizado con un bloqueo externo, lo que significa que no requiere el uso de disolventes deuterados . Se encuentran disponibles un accesorio de monitoreo de reacción en línea que utiliza una celda de flujo y un muestreador automático. Las muestras se miden utilizando tubos de RMN estándar de 5 mm y el espectrómetro se controla a través de una computadora externa donde se lleva a cabo la recopilación y el procesamiento de datos de RMN estándar.
En 2009, picoSpin LLC, con sede en Boulder, Colorado, lanzó el primer espectrómetro de RMN de sobremesa con el picoSpin 45. Un espectrómetro pequeño (7 x 5,75 x 11,5”) de 45 MHz con buena resolución (< 1,8 Hz) y rango medio a bajo. -Sensibilidad de rango que pesa 4,76 kg (10,5 lbs) y puede adquirir espectros 1D 1H o 19F. PicoSpin fue adquirido por Thermo Fisher Scientific en diciembre de 2012 y posteriormente rebautizado como producto Thermo Scientific picoSpin 45. [23] En lugar de los tradicionales tubos estáticos de RMN de 5 mm, el espectrómetro picoSpin 45 utiliza un sistema de flujo que requiere la inyección de muestra en un Capilar de cuarzo y PTFE de 0,4 mm de diámetro interior . [24] Los disolventes deuterados son opcionales debido a la presencia de un bloqueo de software. Solo necesita un navegador web en cualquier computadora externa o dispositivo móvil para su control, ya que el espectrómetro tiene una placa de servidor web incorporada; no se requiere ningún software instalado en una PC dedicada. En agosto de 2013 se presentó una segunda versión, el Thermo Scientific picoSpin 80, que funciona a 82 MHz con una resolución de 1,2 Hz y diez veces la sensibilidad del picoSpin 45 original.
Nanalysis Corp, con sede en Calgary, AB, Canadá, ofrece dos plataformas de RMN de sobremesa: 60 y 100 MHz, que son 1,4 T y 2,35 T, respectivamente. Los espectrómetros están en un gabinete todo en uno (imán, electrónica y computadora con pantalla táctil), lo que los hace más fáciles de ubicar, pero todos los sistemas pueden controlarse local o remotamente mediante una computadora externa, según lo prefiera el usuario. El de 60 MHz es el 60 MHz más pequeño disponible en el mercado, con un peso de unos 25 kg, y el de 100 MHz, poco menos de 100 kg.
Ambas plataformas vienen en un modelo 'e', que puede adquirir 1H/19F o en un modelo 'PRO' que observa 1H/19F/X (donde X lo define el cliente pero suele ser 7Li, 11B, 13C, 31P) . Dependiendo del modelo de instrumento, puede realizar experimentos 1D 1H, 13C{1H}, 19F, 31P, 31P{1H}, COSY, JRES, DEPT, APT, HSQC, HSQC-ME, HMBC, T1 y T2. Los espectrómetros utilizan tubos de RMN estándar de 5 mm y son compatibles con la mayoría de los paquetes de software de RMN de terceros.
Nanalysis adquirió RS2D en 2020, ampliando su cartera de tecnología de resonancia magnética para incluir su tecnología superior cameleon4, consolas de RMN, resonancia magnética preclínica y líneas de productos de resonancia magnética. En 2021, Nanalysis también adquirió la empresa de software con sede en Nueva York, One Moon Scientific, para ofrecer procesamiento de datos de rutina y de alto rendimiento y ampliar el análisis de datos de RMN, incluido el aprendizaje automático, la construcción de bases de datos y los algoritmos de búsqueda.
En 2019, Oxford Instruments lanzó un nuevo espectrómetro de 60 MHz llamado X-Pulse. [25] Este instrumento es una mejora significativa con respecto al sistema Pulsar anterior, lanzado en 2013. X-Pulse tiene la resolución más alta, como estándar (<0,35 Hz / 10 Hz) de los analizadores de RMN de sobremesa sin criógeno disponibles actualmente. Incorpora un imán permanente de tierras raras de 60 MHz. X-Pulse es el único sistema de RMN de sobremesa que ofrece un canal X de banda ancha completa para permitir la medición de 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B y 23Na en una sola sonda. Se puede realizar una amplia gama de mediciones 1D y 2D en todos los núcleos, espectros 1D, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES y muchos otros, incluida la supresión de disolventes y la excitación selectiva. X-Pulse también tiene opciones para RMN de flujo y una sonda de temperatura variable que permite medir muestras en tubos de RMN a temperaturas de 20 °C a 60 °C. El imán y el espectrómetro están en dos cajas separadas; el imán pesa 149 kg [26] y la electrónica pesa 22 kg. X-Pulse requiere un suministro eléctrico estándar y utiliza tubos RMN estándar de 5 mm. El control del instrumento proviene del paquete de flujo de trabajo SpinFlow, mientras que el procesamiento y manipulación de datos se logra mediante paquetes de software de RMN de terceros. Los instrumentos Pulsar se suspendieron en 2019 tras el lanzamiento de X-Pulse.
En 2019, Bruker , fabricante y líder del mercado de máquinas de RMN de alto rendimiento desde hace mucho tiempo, presentó una RMN de mesa, Fourier 80 FT-NMR. La máquina utiliza imanes permanentes y funciona con el software estándar Bruker (un software TopSpin 4 completamente futuro para Windows y Linux; así como una API basada en Python para Windows y Linux; y una aplicación simplificada llamada GoScan). La máquina se puede configurar para espectros 1H y 13C (posiblemente más mediante un pedido personalizado) en modos 1D y 2D, y funciona a 80 MHz (1,88 T). La máquina pesa alrededor de 93 kg y consume menos de 300 W en funcionamiento. [27]
A finales de 2021, Q Magnetics presentó el QM-125, un espectrómetro de RMN de sobremesa 1H de 125 MHz (2,9 T) con una resolución superior a 0,5 Hz. [28] El instrumento está contenido en una sola carcasa con una masa de 28 kg y está conectado a una computadora de control mediante una interfaz USB. El espectrómetro QM-125 no requiere que el usuario transfiera primero su muestra a un tubo de RMN. Se puede utilizar de dos maneras: un modo sin cita previa en el que se extrae una muestra de una fuente con una jeringa y luego se inyecta en el espectrómetro; y un modo automatizado o con guiones, donde la muestra se entrega a la bobina de RF mediante el flujo de otro instrumento. Otras características que admiten aplicaciones automatizadas y con guiones son la cuña estable, el software de control Python de código abierto y las conexiones de fluidos del panel frontal. El consumo de energía de menos de 50 W y el costo relativamente bajo admiten la integración en aplicaciones verticales y dedicadas.