La resonancia magnética nuclear ( RMN ) es un fenómeno físico en el que los núcleos en un campo magnético fuerte y constante son perturbados por un campo magnético oscilante débil (en el campo cercano [1] ) y responden produciendo una señal electromagnética con una frecuencia característica del campo magnético. campo en el núcleo. Este proceso ocurre cerca de la resonancia , cuando la frecuencia de oscilación coincide con la frecuencia intrínseca de los núcleos, la cual depende de la fuerza del campo magnético estático, el ambiente químico y las propiedades magnéticas del isótopo involucrado; en aplicaciones prácticas con campos magnéticos estáticos de hasta ca. 20 tesla , la frecuencia es similar a las transmisiones de televisión VHF y UHF (60-1000 MHz). La RMN resulta de propiedades magnéticas específicas de ciertos núcleos atómicos. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear se utiliza ampliamente para determinar la estructura de moléculas orgánicas en solución y estudiar la física molecular y los cristales , así como los materiales no cristalinos. La RMN también se utiliza habitualmente en técnicas avanzadas de imágenes médicas , como la resonancia magnética (MRI). La aplicación original de la RMN a la física de la materia condensada se dedica hoy en día principalmente a sistemas de electrones fuertemente correlacionados. Revela grandes acoplamientos de muchos cuerpos mediante una detección rápida de banda ancha y no debe confundirse con la RMN de estado sólido, cuyo objetivo es eliminar el efecto de los mismos acoplamientos mediante técnicas de giro de ángulo mágico .
Los núcleos más utilizados son1hy13C, aunque los isótopos de muchos otros elementos, como19F,31
PAG
, y33S, también puede estudiarse mediante espectroscopia de RMN de alto campo. Para interactuar con el campo magnético en el espectrómetro, el núcleo debe tener un momento magnético nuclear y un momento angular intrínsecos . Esto ocurre cuando un isótopo tiene un espín nuclear distinto de cero , es decir, un número impar de protones y/o neutrones (ver Isótopo ). Los nucleidos con números pares de ambos tienen un espín total de cero y, por lo tanto, son inactivos en RMN.
En su aplicación a moléculas, el efecto de la RMN sólo puede observarse en presencia de un campo magnético. Sin embargo, en la fase ordenada de los materiales magnéticos se producen campos internos muy grandes en los núcleos de los iones magnéticos (y de los ligandos cercanos), lo que permite que la RMN se realice en un campo aplicado cero. Además, las transiciones de radiofrecuencia del espín nuclear I > 1/2 con un acoplamiento cuadrupolar eléctrico suficientemente grande al gradiente del campo eléctrico interno también pueden excitarse en un campo magnético aplicado cero.
En la aplicación química dominante, el uso de campos más altos mejora la sensibilidad del método (la relación señal-ruido aumenta aproximadamente como la potencia de 3/2 con la intensidad del campo magnético) y la resolución espectral. Se han desarrollado y se utilizan ampliamente espectrómetros de RMN comerciales que emplean imanes superconductores enfriados con helio líquido con campos de más de 20 Tesla . [2]
Una característica clave de la RMN es que la frecuencia de resonancia de una sustancia de muestra particular suele ser directamente proporcional a la fuerza del campo magnético aplicado. Es esta característica la que se explota en las técnicas de obtención de imágenes; Si una muestra se coloca en un campo magnético no uniforme, las frecuencias de resonancia de los núcleos de la muestra dependen de en qué parte del campo se encuentran. Este efecto sirve como base para la obtención de imágenes por resonancia magnética .
El principio de la RMN suele implicar tres pasos secuenciales:
Los dos campos magnéticos generalmente se eligen para que sean perpendiculares entre sí, ya que esto maximiza la intensidad de la señal de RMN. Las frecuencias de la respuesta de la señal temporal por la magnetización total ( M ) de los espines nucleares se analizan en espectroscopia de RMN y resonancia magnética. Ambos utilizan campos magnéticos aplicados ( B 0 ) de gran intensidad, a menudo producidos por grandes corrientes en bobinas superconductoras , para lograr dispersión de frecuencias de respuesta y de muy alta homogeneidad y estabilidad para entregar resolución espectral , cuyos detalles se describen por desplazamientos químicos , el efecto Zeeman y desplazamientos de Knight (en metales). La información proporcionada por la RMN también se puede aumentar mediante hiperpolarización y/o utilizando técnicas bidimensionales, tridimensionales y de dimensiones superiores.
Los fenómenos de RMN también se utilizan en RMN de campo bajo , espectroscopia de RMN y resonancia magnética en el campo magnético de la Tierra (denominada RMN de campo terrestre) y en varios tipos de magnetómetros .
La resonancia magnética nuclear fue descrita y medida por primera vez en haces moleculares por Isidor Rabi en 1938, [3] ampliando el experimento de Stern-Gerlach , y en 1944, Rabi recibió el Premio Nobel de Física por este trabajo. [4] En 1946, Felix Bloch y Edward Mills Purcell ampliaron la técnica para su uso en líquidos y sólidos, por lo que compartieron el Premio Nobel de Física en 1952. [5] [6]
Russell H. Varian presentó el "Método y medios para correlacionar las propiedades nucleares de los átomos y los campos magnéticos", patente estadounidense 2.561.490 el 24 de julio de 1951. Varian Associates desarrolló la primera unidad de RMN llamada NMR HR-30 en 1952. [7]
Purcell había trabajado en el desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial en el Laboratorio de Radiación del Instituto Tecnológico de Massachusetts . Su trabajo durante ese proyecto sobre la producción y detección de potencia de radiofrecuencia y sobre la absorción de dicha potencia de RF por la materia sentó las bases para su descubrimiento de la RMN en materia a granel. [ cita necesaria ]
Rabi, Bloch y Purcell observaron que los núcleos magnéticos, como1hy31
PAG
, podía absorber energía de RF cuando se colocaba en un campo magnético y cuando la RF era de una frecuencia específica de la identidad de los núcleos. Cuando se produce esta absorción, se describe que el núcleo está en resonancia . Diferentes núcleos atómicos dentro de una molécula resuenan a diferentes frecuencias (radio) para la misma intensidad de campo magnético. La observación de tales frecuencias de resonancia magnética de los núcleos presentes en una molécula permite determinar información química y estructural esencial sobre la molécula. [8]
Las mejoras del método de RMN se beneficiaron del desarrollo de la tecnología electromagnética y la electrónica avanzada y su introducción en el uso civil. [ cita necesaria ] Originalmente como herramienta de investigación se limitó principalmente a la polarización nuclear dinámica , por el trabajo de Anatole Abragam y Albert Overhauser , y a la física de la materia condensada , donde produjo una de las primeras demostraciones de la validez de la teoría BCS de superconductividad por la observación de Charles Slichter del efecto Hebel-Slichter. Pronto mostró su potencial en química orgánica y, en la década de 1990, la mejora en la sensibilidad y resolución de la espectroscopia de RMN dio como resultado su uso más amplio en química analítica , bioquímica y ciencia de materiales . [ cita necesaria ]
En la década de 2020 se desarrolló la resonancia magnética nuclear de campo cero a ultrabajo ( ZULF NMR ), una forma de espectroscopia que proporciona abundantes resultados analíticos sin la necesidad de grandes campos magnéticos . Se combina con una técnica especial que permite hiperpolarizar los núcleos atómicos . [9]
Todos los nucleones, es decir, los neutrones y los protones , que componen cualquier núcleo atómico , tienen la propiedad cuántica intrínseca del espín , un momento angular intrínseco análogo al momento angular clásico de una esfera que gira. El espín general del núcleo está determinado por el número cuántico de espín S. Si el número de protones y neutrones en un nucleido dado es par, entonces S = 0 , es decir, no hay espín general. Entonces, así como los electrones se emparejan en orbitales atómicos no degenerados , también lo hacen números pares de protones o neutrones (ambos también son partículas de espín 1/2 y, por tanto, fermiones ) , dando un espín total cero. [ cita necesaria ]
Sin embargo, un vector de espín de protones y neutrones que se alinea opuesto al vector del campo magnético externo tendrá una energía menor cuando sus espines sean paralelos, no antiparalelos. Esta alineación de espines paralelos de partículas distinguibles no viola el principio de exclusión de Pauli . La disminución de energía para los espines paralelos tiene que ver con la estructura de los quarks de estos dos nucleones. [ cita necesaria ] Como resultado, el estado fundamental de espín del deuterón (el núcleo del deuterio , el isótopo 2 H del hidrógeno), que tiene solo un protón y un neutrón, corresponde a un valor de espín de 1 , no de cero . Por otro lado, debido al principio de exclusión de Pauli, el isótopo de tritio del hidrógeno debe tener un par de neutrones de espín antiparalelo (de espín total cero para el par neutrón-espín), más un protón de espín 1/2 . Por lo tanto, el valor de espín nuclear total del tritio es nuevamente 1/2 , al igual que para el isótopo de hidrógeno más simple y abundante, el núcleo 1 H (el protón ). La frecuencia de absorción de RMN del tritio también es similar a la del 1 H. En muchos otros casos de núcleos no radiactivos , el espín general también es distinto de cero. Por ejemplo, el27
Alabama
El núcleo tiene un valor de espín general S = 5/2 .
Un giro distinto de cero siempre está asociado con un momento dipolar magnético distinto de cero, a través de la relación
La resonancia de espín electrónico (ESR) es una técnica relacionada en la que se detectan transiciones entre niveles de espín electrónico en lugar de niveles de espín nuclear. Los principios básicos son similares, pero la instrumentación, el análisis de datos y la teoría detallada son significativamente diferentes. Además, hay un número mucho menor de moléculas y materiales con espines electrónicos desapareados que exhiben absorción ESR (o resonancia paramagnética electrónica (EPR)) que aquellos que tienen espectros de absorción de RMN. Por otro lado, la ESR tiene una señal por giro mucho mayor que la RMN. [ cita necesaria ]
El espín nuclear es un momento angular intrínseco que está cuantificado. Esto significa que la magnitud de este momento angular está cuantificada (es decir, S sólo puede tomar un rango restringido de valores), y también que los componentes x, y y z del momento angular están cuantificados, restringiéndose a un número entero o a la mitad. -múltiplos enteros de ħ . El número cuántico entero o semientero asociado con el componente de espín a lo largo del eje z o el campo magnético aplicado se conoce como número cuántico magnético , m , y puede tomar valores de + S a − S , en pasos enteros. Por lo tanto, para cualquier núcleo dado, hay un total de 2 estados de momento angular S + 1 . [ cita necesaria ]
La componente z del vector de momento angular ( ) es por tanto S z = mħ , donde ħ es la constante de Planck reducida . La componente z del momento magnético es simplemente:
Considere núcleos con un espín de la mitad, como1h,13Co19F. Cada núcleo tiene dos estados de espín linealmente independientes, con m = 1/2 o m = − 1/2 (también conocidos como estados de espín ascendente y descendente, o a veces estados de espín α y β, respectivamente) para el componente z . de giro. En ausencia de campo magnético, estos estados son degenerados; es decir, tienen la misma energía. Por tanto, el número de núcleos en estos dos estados será esencialmente igual en el equilibrio térmico . [ cita necesaria ]
Sin embargo, si un núcleo se coloca en un campo magnético, los dos estados ya no tienen la misma energía como resultado de la interacción entre el momento dipolar magnético nuclear y el campo magnético externo. La energía de un momento dipolar magnético en un campo magnético B 0 viene dada por:
Por lo general, se elige que el eje z esté a lo largo de B 0 y la expresión anterior se reduce a:
Como resultado, los diferentes estados de espín nuclear tienen diferentes energías en un campo magnético distinto de cero. En un lenguaje menos formal, podemos hablar de los dos estados de espín de un espín 1/2 alineados con o en contra del campo magnético. Si γ es positivo (verdadero para la mayoría de los isótopos utilizados en RMN), entonces m = 1/2 es el estado de menor energía.
La diferencia de energía entre los dos estados es:
Un concepto central en RMN es la precesión de la magnetización del espín alrededor del campo magnético en el núcleo, con la frecuencia angular
Una perturbación de las orientaciones de los espines nucleares desde el equilibrio ocurrirá sólo cuando se aplique un campo magnético oscilante cuya frecuencia ν rf coincida suficientemente con la frecuencia de precesión de Larmor ν L de la magnetización nuclear. Las poblaciones de los niveles de energía de subida y bajada de espín sufren entonces oscilaciones de Rabi , [10] que se analizan más fácilmente en términos de precesión de la magnetización del espín alrededor del campo magnético efectivo en un marco de referencia que gira con la frecuencia ν rf . [12] Cuanto más fuerte sea el campo oscilante, más rápidas serán las oscilaciones de Rabi o la precesión alrededor del campo efectivo en el marco giratorio. Después de un cierto tiempo del orden de 2 a 1000 microsegundos, un pulso de RF resonante invierte la magnetización del espín al plano transversal, es decir, forma un ángulo de 90° con el campo magnético constante B 0 ("pulso de 90°"), mientras después de un tiempo dos veces más largo, la magnetización inicial se ha invertido ("impulso de 180°"). Es la magnetización transversal generada por un campo oscilante resonante que generalmente se detecta en RMN, durante la aplicación del campo de RF relativamente débil en la antigua RMN de onda continua, o después del pulso de RF relativamente fuerte en la RMN pulsada moderna. [ cita necesaria ]
De lo anterior podría parecer que todos los núcleos del mismo nucleido (y por tanto del mismo γ ) resonarían exactamente a la misma frecuencia. Este no es el caso. La perturbación más importante de la frecuencia de RMN para las aplicaciones de RMN es el efecto de "blindaje" de las capas de electrones circundantes. [13] Los electrones, similar al núcleo, también están cargados y giran con un espín para producir un campo magnético opuesto al campo magnético aplicado. En general, este blindaje electrónico reduce el campo magnético en el núcleo (que es el que determina la frecuencia de RMN). Como resultado, también se reduce la frecuencia necesaria para lograr la resonancia. Este cambio en la frecuencia de la RMN debido al acoplamiento electrónico de los orbitales moleculares al campo magnético externo se llama cambio químico y explica por qué la RMN es capaz de sondear la estructura química de las moléculas, que depende de la distribución de la densidad de electrones en los orbitales moleculares correspondientes. . Si un núcleo de un grupo químico específico está protegido en mayor grado por una mayor densidad electrónica de su orbital molecular circundante, entonces su frecuencia de RMN se desplazará "hacia arriba" (es decir, un desplazamiento químico menor), mientras que si es menor protegido por dicha densidad de electrones circundantes, entonces su frecuencia de RMN se desplazará "hacia abajo" (es decir, un desplazamiento químico más alto).
A menos que la simetría local de tales orbitales moleculares sea muy alta (lo que lleve a un desplazamiento "isotrópico"), el efecto de protección dependerá de la orientación de la molécula con respecto al campo externo ( B 0 ). En la espectroscopia de RMN de estado sólido , se requiere giro de ángulo mágico para promediar esta dependencia de la orientación a fin de obtener valores de frecuencia en los desplazamientos químicos promedio o isotrópicos. Esto es innecesario en las investigaciones convencionales de RMN de moléculas en solución, ya que el rápido "volteo molecular" promedia la anisotropía de desplazamiento químico (CSA). En este caso, el desplazamiento químico "promedio" (ACS) o desplazamiento químico isotrópico a menudo se denomina simplemente desplazamiento químico.
El proceso de relajación de la población se refiere a espines nucleares que regresan al equilibrio termodinámico en el imán. Este proceso también se denomina T 1 , " red de espín " o relajación "magnética longitudinal", donde T 1 se refiere al tiempo medio que tarda un núcleo individual en volver a su estado de equilibrio térmico de los espines. Una vez que la población de espines nucleares se ha relajado, se puede probar nuevamente, ya que se encuentra en el estado inicial de equilibrio (mixto). [ cita necesaria ]
Los núcleos en precesión también pueden desalinearse entre sí y dejar de producir una señal gradualmente. Esto se llama T 2 o relajación transversal . Debido a la diferencia en los mecanismos de relajación reales implicados (por ejemplo, interacciones dipolo-dipolo magnético intermolecular versus intramolecular), T 1 suele ser (excepto en casos raros) más largo que T 2 (es decir, una relajación más lenta de la red de espín, por ejemplo debido a efectos de interacción dipolo-dipolo más pequeños). En la práctica, el valor de T 2 *, que es el tiempo de caída realmente observado de la señal de RMN observada, o caída de inducción libre (a 1 / e de la amplitud inicial inmediatamente después del pulso de RF resonante), también depende del campo magnético estático. falta de homogeneidad, que es bastante significativa. (También hay una contribución menor pero significativa al acortamiento FID observado debido a la falta de homogeneidad de RF del pulso resonante). [ cita necesaria ] En el espectro FT-NMR correspondiente, es decir, la transformada de Fourier de la caída de inducción libre , el tiempo T 2 * está inversamente relacionado con el ancho de la señal de RMN en unidades de frecuencia. Por lo tanto, un núcleo con un tiempo de relajación T 2 largo da lugar a un pico de RMN muy agudo en el espectro FT-NMR para un campo magnético estático muy homogéneo ( "bien calzado" ), mientras que los núcleos con valores de T 2 más cortos dan lugar a picos amplios de FT-NMR incluso cuando el imán está bien ajustado. Tanto T 1 como T 2 dependen de la velocidad de los movimientos moleculares, así como de las relaciones giromagnéticas de los núcleos vecinos que no están en resonancia, tanto en resonancia como en interacción fuerte. [ cita necesaria ]
Se puede utilizar un experimento de decadencia del eco de Hahn para medir el tiempo de desfase, como se muestra en la animación. El tamaño del eco se registra para diferentes espaciamientos de los dos pulsos. Esto revela la decoherencia que no es reenfocada por el pulso de 180°. En casos sencillos se mide una caída exponencial que se describe mediante el tiempo T 2 .
La espectroscopía de RMN es una de las principales técnicas utilizadas para obtener información física, química, electrónica y estructural de las moléculas debido al desplazamiento químico de las frecuencias de resonancia de los espines nucleares de la muestra. También son útiles las divisiones de picos debidas a acoplamientos J o dipolares entre núcleos. La espectroscopía de RMN puede proporcionar información detallada y cuantitativa sobre los grupos funcionales, topología, dinámica y estructura tridimensional de moléculas en solución y en estado sólido. Dado que el área bajo un pico de RMN suele ser proporcional al número de espines involucrados, se pueden utilizar integrales de pico para determinar la composición cuantitativamente. [ cita necesaria ]
La estructura y la dinámica molecular se pueden estudiar (con o sin giro en "ángulo mágico " (MAS)) mediante RMN de núcleos cuadrupolares (es decir, con espín S > 1/2 ) incluso en presencia de ampliación de la interacción magnética " dipolo -dipolo" . (o simplemente, ensanchamiento dipolar), que siempre es mucho menor que la fuerza de interacción cuadrupolar porque es un efecto de interacción magnético versus eléctrico. [ cita necesaria ]
Se puede obtener información estructural y química adicional realizando experimentos de RMN de doble cuántica para pares de espines o núcleos cuadrupolares como2h. Además, la resonancia magnética nuclear es una de las técnicas que se ha utilizado para diseñar autómatas cuánticos, y también construir ordenadores cuánticos elementales . [14] [15]
En las primeras décadas de la resonancia magnética nuclear, los espectrómetros utilizaban una técnica conocida como espectroscopia de onda continua (CW), en la que la magnetización del espín transversal generada por un campo magnético oscilante débil se registra en función de la frecuencia de oscilación o la intensidad del campo estático B. 0 . [12] Cuando la frecuencia de oscilación coincide con la frecuencia de resonancia nuclear, la magnetización transversal se maximiza y se observa un pico en el espectro. Aunque los espectros de RMN se podían obtener, y se han obtenido, utilizando un campo magnético constante fijo y barriendo la frecuencia del campo magnético oscilante, era más conveniente utilizar una fuente de frecuencia fija y variar la corriente (y por tanto el campo magnético) en un electroimán. para observar las señales de absorción resonante. Este es el origen de la terminología contraintuitiva, pero aún común, de "campo alto" y "campo bajo" para las regiones de baja y alta frecuencia, respectivamente, del espectro de RMN.
En 1996, los instrumentos CW todavía se utilizaban para trabajos rutinarios porque los instrumentos más antiguos eran más baratos de mantener y operar, y a menudo operaban a 60 MHz con electroimanes correspondientemente más débiles (no superconductores) enfriados con agua en lugar de helio líquido. Una bobina de radio funcionaba continuamente, barriendo un rango de frecuencias, mientras que otra bobina ortogonal , diseñada para no recibir radiación del transmisor, recibía señales de núcleos que se reorientaban en solución. [16] A partir de 2014, los sistemas reacondicionados de 60 MHz y 90 MHz de gama baja se vendieron como instrumentos FT-NMR, [17] [ se necesita aclaración ] y en 2010 el instrumento de RMN "caballo de batalla promedio" se configuró para 300 MHz. [18] [ se necesita aclaración ]
La espectroscopia CW es ineficiente en comparación con las técnicas de análisis de Fourier (ver más abajo), ya que explora la respuesta de RMN en frecuencias individuales o intensidades de campo en sucesión. Dado que la señal de RMN es intrínsecamente débil, el espectro observado adolece de una mala relación señal-ruido . Esto puede mitigarse promediando la señal, es decir, sumando los espectros de mediciones repetidas. Si bien la señal de RMN es la misma en cada escaneo y, por lo tanto, se agrega linealmente, el ruido aleatorio se agrega más lentamente, proporcional a la raíz cuadrada del número de espectros (consulte paseo aleatorio ). Por lo tanto, la relación señal-ruido general aumenta con la raíz cuadrada del número de espectros medidos. Sin embargo, monitorear una señal de RMN a una sola frecuencia en función del tiempo puede ser más adecuado para estudios cinéticos que la espectroscopia de RMN por transformada de Fourier pulsada. [19]
La mayoría de las aplicaciones de RMN implican espectros de RMN completos, es decir, la intensidad de la señal de RMN en función de la frecuencia. Los primeros intentos de adquirir el espectro de RMN de manera más eficiente que los métodos simples de CW implicaban iluminar el objetivo simultáneamente con más de una frecuencia. Se produjo una revolución en la RMN cuando se empezaron a utilizar pulsos cortos de radiofrecuencia, con una frecuencia centrada en la mitad del espectro de la RMN. En términos simples, un pulso corto de una frecuencia "portadora" dada "contiene" un rango de frecuencias centradas alrededor de la frecuencia portadora , siendo el rango de excitación ( ancho de banda ) inversamente proporcional a la duración del pulso, es decir, la transformada de Fourier de un pulso corto. El pulso contiene contribuciones de todas las frecuencias cercanas a la frecuencia principal. [20] El rango restringido de las frecuencias de RMN hizo que fuera relativamente fácil usar pulsos de radiofrecuencia cortos (1 - 100 microsegundos) para excitar todo el espectro de RMN.
La aplicación de dicho pulso a un conjunto de espines nucleares excita simultáneamente todas las transiciones de RMN monocuántica. En términos del vector de magnetización neto, esto corresponde a inclinar el vector de magnetización lejos de su posición de equilibrio (alineado a lo largo del campo magnético externo). Luego, el vector de magnetización fuera de equilibrio sufre una precesión alrededor del vector del campo magnético externo a la frecuencia de RMN de los espines. Este vector de magnetización oscilante induce un voltaje en una bobina captadora cercana, creando una señal eléctrica que oscila a la frecuencia de RMN. Esta señal se conoce como caída de inducción libre (FID) y contiene la suma de las respuestas de RMN de todos los espines excitados. Para obtener el espectro de RMN en el dominio de la frecuencia (intensidad de absorción de RMN frente a frecuencia de RMN), esta señal en el dominio del tiempo (intensidad frente a tiempo) debe transformarse de Fourier. Afortunadamente, el desarrollo de la RMN por transformada de Fourier (FT) coincidió con el desarrollo de las computadoras digitales y la transformada digital rápida de Fourier (FFT). Los métodos de Fourier se pueden aplicar a muchos tipos de espectroscopia.Richard R. Ernst fue uno de los pioneros de la RMN pulsada y ganó el Premio Nobel de Química en 1991 por su trabajo en la RMN por transformada de Fourier y su desarrollo de la espectroscopia de RMN multidimensional.
El uso de pulsos de diferentes duraciones, frecuencias o formas en patrones o secuencias de pulsos específicamente diseñados permite la producción de un espectro que contiene muchos tipos diferentes de información sobre las moléculas de la muestra. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear multidimensional, hay al menos dos pulsos: uno conduce a la señal detectada directamente y los otros afectan la magnetización inicial y el estado de espín anterior a ella. El análisis completo implica repetir la secuencia con los tiempos de pulso variados sistemáticamente para probar las oscilaciones del sistema de espín punto por punto en el dominio del tiempo. La transformación multidimensional de Fourier de la señal temporal multidimensional produce el espectro multidimensional. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear bidimensional (2D-NMR), habrá un período de tiempo sistemáticamente variado en la secuencia de pulsos, que modulará la intensidad o fase de las señales detectadas. En 3D-NMR, se variarán dos períodos de tiempo de forma independiente, y en 4D-NMR, se variarán tres.
Hay muchos experimentos de este tipo. En algunos, los intervalos de tiempo fijos permiten (entre otras cosas) la transferencia de magnetización entre núcleos y, por lo tanto, la detección de los tipos de interacciones nuclear-nuclear que permitieron la transferencia de magnetización. Las interacciones que se pueden detectar suelen clasificarse en dos tipos. Hay interacciones a través de enlaces y a través del espacio . Las interacciones a través de enlaces se relacionan con la conectividad estructural de los átomos y proporcionan información sobre cuáles están directamente conectados entre sí, conectados por medio de otro átomo intermedio, etc. Las interacciones a través del espacio se relacionan con distancias y ángulos geométricos reales, incluidos los efectos. del acoplamiento dipolar y el efecto Overhauser nuclear .
Aunque el concepto fundamental de RMN FT 2D fue propuesto por Jean Jeener de la Universidad Libre de Bruselas en una conferencia internacional, esta idea fue desarrollada en gran medida por Richard Ernst , quien ganó el Premio Nobel de Química en 1991 por su trabajo en RMN FT, incluyendo RMN FT multidimensional, y especialmente RMN FT 2D de moléculas pequeñas. [21] Los experimentos multidimensionales de FT NMR se desarrollaron aún más hasta convertirse en poderosas metodologías para estudiar moléculas en solución, en particular para la determinación de la estructura de biopolímeros como proteínas o incluso pequeños ácidos nucleicos . [22]
En 2002, Kurt Wüthrich compartió el Premio Nobel de Química (con John Bennett Fenn y Koichi Tanaka ) por su trabajo con la proteína FT NMR en solución.
Esta técnica complementa la cristalografía de rayos X en el sentido de que con frecuencia se aplica a moléculas en estado amorfo o cristalino líquido , mientras que la cristalografía, como su nombre lo indica, se realiza en moléculas en fase cristalina. En materiales conductores de electrónica, el desplazamiento de Knight de la frecuencia de resonancia puede proporcionar información sobre los portadores de carga del móvil. Aunque la resonancia magnética nuclear se utiliza para estudiar la estructura de los sólidos, es más difícil obtener detalles estructurales extensos a nivel atómico en el estado sólido. Debido al ensanchamiento por anisotropía de desplazamiento químico (CSA) y acoplamientos dipolares a otros espines nucleares, sin técnicas especiales como MAS o desacoplamiento dipolar por pulsos de RF, el espectro observado es a menudo sólo una banda gaussiana amplia para espines no cuadrupolares en un sólido.
El profesor Raymond Andrew de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido fue pionero en el desarrollo de la resonancia magnética nuclear de estado sólido de alta resolución . Fue el primero en informar sobre la introducción de la técnica MAS (giro de muestras en ángulo mágico; MASS) que le permitió lograr una resolución espectral en sólidos suficiente para distinguir entre grupos químicos con diferentes desplazamientos químicos o distintos desplazamientos de Knight . En MASS, la muestra se hace girar a varios kilohercios alrededor de un eje que forma el llamado ángulo mágico θ m (que es ~54,74°, donde 3cos 2 θ m -1 = 0) con respecto a la dirección del campo magnético estático. B0 ; _ como resultado de tal giro mágico de la muestra en ángulo, las bandas amplias de anisotropía de desplazamiento químico se promedian con sus valores de desplazamiento químico promedio (isotrópicos) correspondientes. La alineación correcta del eje de rotación de la muestra lo más cerca posible de θ m es esencial para cancelar la ampliación de la anisotropía del cambio químico. Hay diferentes ángulos para el giro de la muestra en relación con el campo aplicado para el promedio de interacciones cuadrupolo eléctricas e interacciones paramagnéticas, correspondientemente ~30,6° y ~70,1°. En materiales amorfos, el ensanchamiento de la línea residual permanece ya que cada segmento se encuentra en un entorno ligeramente diferente, por lo que exhibe una frecuencia de RMN ligeramente diferente.
Los acoplamientos dipolares y en J a los núcleos 1 H cercanos generalmente se eliminan mediante pulsos de radiofrecuencia aplicados a la frecuencia 1 H durante la detección de la señal. El concepto de polarización cruzada desarrollado por Sven Hartmann y Erwin Hahn fue utilizado para transferir magnetización de protones a núcleos menos sensibles por MG Gibby, Alex Pines y John S. Waugh . Luego, Jake Schaefer y Ed Stejskal demostraron el poderoso uso de la polarización cruzada en condiciones MAS (CP-MAS) y el desacoplamiento de protones, que ahora se emplea de manera rutinaria para medir espectros de alta resolución de núcleos de baja abundancia y baja sensibilidad, como los de carbono. 13, silicio-29 o nitrógeno-15, en sólidos. Se puede lograr una mejora significativa de la señal mediante la polarización nuclear dinámica desde los electrones no apareados hasta los núcleos, generalmente a temperaturas cercanas a 110 K.
Debido a que la intensidad de las señales de resonancia magnética nuclear y, por tanto, la sensibilidad de la técnica depende de la fuerza del campo magnético, la técnica también ha avanzado a lo largo de las décadas con el desarrollo de imanes más potentes. Los avances realizados en la tecnología audiovisual también han mejorado las capacidades de generación y procesamiento de señales de los instrumentos más nuevos.
Como se señaló anteriormente, la sensibilidad de las señales de resonancia magnética nuclear también depende de la presencia de un nucleido magnéticamente susceptible y, por lo tanto, de la abundancia natural de tales nucleidos o de la capacidad del experimentador para enriquecer artificialmente las moléculas en estudio. con tales nucleidos. Los isótopos naturales más abundantes de hidrógeno y fósforo (por ejemplo) son magnéticamente susceptibles y fácilmente útiles para la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Por el contrario, el carbono y el nitrógeno tienen isótopos útiles pero se encuentran en una abundancia natural muy baja.
Otras limitaciones de la sensibilidad surgen de la naturaleza mecánico-cuántica del fenómeno. Para los estados cuánticos separados por energía equivalente a las frecuencias de radio, la energía térmica del medio ambiente hace que las poblaciones de los estados sean casi iguales. Dado que es igualmente probable que la radiación entrante cause una emisión estimulada (una transición del estado superior al inferior) como una absorción, el efecto de la RMN depende de un exceso de núcleos en los estados inferiores. Varios factores pueden reducir la sensibilidad, entre ellos:
Se pueden utilizar muchos isótopos de elementos químicos para el análisis de RMN. [23]
Núcleos de uso común:
Otros núcleos (usualmente utilizados en los estudios de sus complejos y enlaces químicos, o para detectar la presencia del elemento):
La RMN se utiliza ampliamente en medicina en forma de imágenes por resonancia magnética . La RMN se utiliza en química orgánica e industrialmente principalmente para el análisis de productos químicos. La técnica también se utiliza para medir la proporción entre agua y grasa en los alimentos, controlar el flujo de fluidos corrosivos en tuberías o estudiar estructuras moleculares como los catalizadores. [24]
La aplicación de la resonancia magnética nuclear más conocida por el público en general es la resonancia magnética para el diagnóstico médico y la microscopía de resonancia magnética en entornos de investigación. Sin embargo, también se utiliza ampliamente en estudios bioquímicos, especialmente en espectroscopia de RMN, como RMN de protones , RMN de carbono-13 , RMN de deuterio y RMN de fósforo-31. También se puede obtener información bioquímica a partir de tejido vivo (por ejemplo, tumores cerebrales humanos ) con la técnica conocida como espectroscopia de resonancia magnética in vivo o microscopía de RMN por desplazamiento químico .
Estos estudios espectroscópicos son posibles porque los núcleos están rodeados por electrones en órbita, que son partículas cargadas que generan pequeños campos magnéticos locales que se suman o restan al campo magnético externo, y así protegerán parcialmente los núcleos. La cantidad de blindaje depende del entorno local exacto. Por ejemplo, un hidrógeno unido a un oxígeno estará protegido de manera diferente que un hidrógeno unido a un átomo de carbono. Además, dos núcleos de hidrógeno pueden interactuar mediante un proceso conocido como acoplamiento espín-espín , si están en la misma molécula, lo que dividirá las líneas de los espectros de forma reconocible.
Como una de las dos técnicas espectroscópicas principales utilizadas en metabolómica , la RMN se utiliza para generar huellas dactilares metabólicas a partir de fluidos biológicos para obtener información sobre estados patológicos o agresiones tóxicas.
Al estudiar los picos de los espectros de resonancia magnética nuclear, los químicos pueden determinar la estructura de muchos compuestos. Puede ser una técnica muy selectiva, que distingue entre muchos átomos dentro de una molécula o conjunto de moléculas del mismo tipo pero que difieren sólo en términos de su entorno químico local. La espectroscopia de RMN se utiliza para identificar inequívocamente compuestos nuevos y conocidos y, como tal, las revistas científicas suelen exigirla para confirmar la identidad de nuevos compuestos sintetizados. Consulte los artículos sobre RMN de carbono 13 y RMN de protones para obtener discusiones detalladas.
Un químico puede determinar la identidad de un compuesto comparando las frecuencias de precesión nuclear observadas con frecuencias conocidas. Se pueden dilucidar más datos estructurales observando el acoplamiento espín-espín , un proceso mediante el cual la frecuencia de precesión de un núcleo puede verse influenciada por la orientación del espín de un núcleo enlazado químicamente. El acoplamiento espín-espín se observa fácilmente en RMN de hidrógeno-1 (1
h
RMN) ya que su abundancia natural es casi del 100%.
Debido a que la escala de tiempo de la resonancia magnética nuclear es bastante lenta, en comparación con otros métodos espectroscópicos, cambiar la temperatura de un experimento T 2 * también puede brindar información sobre reacciones rápidas, como el reordenamiento de Cope o sobre dinámica estructural, como el cambio de anillo en ciclohexano. . A temperaturas suficientemente bajas, se puede hacer una distinción entre los hidrógenos axiales y ecuatoriales en el ciclohexano.
Un ejemplo de resonancia magnética nuclear que se utiliza en la determinación de una estructura es la del buckminsterfullereno (a menudo llamado "buckyballs", composición C 60 ). Esta ahora famosa forma de carbono tiene 60 átomos de carbono que forman una esfera. Todos los átomos de carbono se encuentran en entornos idénticos y, por lo tanto, deberían ver el mismo campo interno de H. Desafortunadamente, el buckminsterfullereno no contiene hidrógeno y por eso13CSe debe utilizar la resonancia magnética nuclear.13CLos espectros requieren tiempos de adquisición más largos ya que el carbono-13 no es el isótopo común del carbono (a diferencia del hidrógeno, donde1hes el isótopo común). Sin embargo, en 1990 R. Taylor y sus colaboradores obtuvieron el espectro en la Universidad de Sussex y descubrieron que contenía un solo pico, lo que confirma la estructura inusual del buckminsterfullereno. [25]
Si bien la RMN se utiliza principalmente para la determinación estructural, también se puede utilizar para la determinación de la pureza, siempre que se conozca la estructura y el peso molecular del compuesto. Esta técnica requiere el uso de un estándar interno de pureza conocida. Normalmente, este estándar tendrá un peso molecular elevado para facilitar un pesaje preciso, pero relativamente pocos protones para dar un pico claro para una integración posterior, por ejemplo, 1,2,4,5-tetracloro-3-nitrobenceno . Porciones del estándar y la muestra pesadas con precisión se combinan y analizan mediante RMN. Se seleccionan los picos adecuados de ambos compuestos y la pureza de la muestra se determina mediante la siguiente ecuación.
Dónde:
La resonancia magnética nuclear es extremadamente útil para analizar muestras de forma no destructiva. Los campos magnéticos de radiofrecuencia penetran fácilmente en muchos tipos de materia y en cualquier cosa que no sea altamente conductora o inherentemente ferromagnética . Por ejemplo, varias muestras biológicas costosas, como los ácidos nucleicos , incluidos el ARN y el ADN , o las proteínas , pueden estudiarse mediante resonancia magnética nuclear durante semanas o meses antes de utilizar experimentos bioquímicos destructivos. Esto también hace que la resonancia magnética nuclear sea una buena opción para analizar muestras peligrosas. [ cita necesaria ]
Además de proporcionar información estática sobre las moléculas mediante la determinación de sus estructuras tridimensionales, una de las ventajas notables de la RMN sobre la cristalografía de rayos X es que puede utilizarse para obtener información dinámica importante. Esto se debe a la dependencia de la orientación de las contribuciones del desplazamiento químico, el acoplamiento dipolar o el acoplamiento eléctrico-cuadrupolo a la frecuencia instantánea de RMN en un entorno molecular anisotrópico. [26] Cuando la molécula o segmento que contiene el núcleo observado por RMN cambia su orientación relativa al campo externo, la frecuencia de RMN cambia, lo que puede resultar en cambios en los espectros uni o bidimensionales o en los tiempos de relajación, dependiendo de la tiempo de correlación y amplitud del movimiento.
Otro uso de la resonancia magnética nuclear es la adquisición de datos en la industria petrolera para la exploración y recuperación de petróleo y gas natural . La investigación inicial en este ámbito comenzó en la década de 1950; sin embargo, los primeros instrumentos comerciales no se lanzaron al mercado hasta principios de la década de 1990. [27] Se perfora un pozo en la roca y los estratos sedimentarios en el que se introduce un equipo de registro de resonancia magnética nuclear. El análisis de resonancia magnética nuclear de estos pozos se utiliza para medir la porosidad de la roca, estimar la permeabilidad a partir de la distribución del tamaño de los poros e identificar los fluidos de los poros (agua, petróleo y gas). Estos instrumentos suelen ser espectrómetros de RMN de campo bajo .
El registro por RMN, una subcategoría del registro electromagnético, mide el momento magnético inducido de los núcleos de hidrógeno (protones) contenidos dentro del espacio poroso lleno de líquido de los medios porosos (rocas reservorio). A diferencia de las mediciones de registro convencionales (por ejemplo, acústicas, de densidad, de neutrones y de resistividad), que responden tanto a la matriz de la roca como a las propiedades del fluido y dependen en gran medida de la mineralogía, las mediciones de registro por RMN responden a la presencia de hidrógeno. Debido a que los átomos de hidrógeno se encuentran principalmente en los fluidos de los poros, la RMN responde eficazmente al volumen, composición, viscosidad y distribución de estos fluidos, por ejemplo, petróleo, gas o agua. Los registros de RMN proporcionan información sobre las cantidades de fluidos presentes, las propiedades de estos fluidos y los tamaños de los poros que los contienen. A partir de esta información es posible inferir o estimar:
La medición básica de núcleo y registro es la caída de T 2 , presentada como una distribución de amplitudes de T 2 versus el tiempo en cada profundidad de muestra, típicamente de 0,3 ms a 3 s. La descomposición de T 2 se procesa adicionalmente para dar el volumen de poro total (la porosidad total) y los volúmenes de poro dentro de diferentes rangos de T 2 . Los volúmenes más comunes son el fluido ligado y el fluido libre. Se realiza una estimación de la permeabilidad utilizando una transformada como las transformadas de permeabilidad de Timur-Coates o SDR. Al ejecutar el registro con diferentes parámetros de adquisición, es posible la tipificación directa de hidrocarburos y una difusión mejorada.
Recientemente, se han desarrollado aplicaciones de RMN en tiempo real en medios líquidos utilizando sondas de flujo (conjuntos de celdas de flujo) diseñadas específicamente que pueden reemplazar las sondas de tubo estándar. Esto ha permitido técnicas que pueden incorporar el uso de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) u otros dispositivos de introducción de muestras de flujo continuo. [28] Estas sondas de flujo se han utilizado en diversos procesos de monitoreo en línea, como reacciones químicas [29] y degradación de contaminantes ambientales. [30]
La RMN ha entrado ahora en el ámbito del control y la optimización de procesos en tiempo real en refinerías de petróleo y plantas petroquímicas . Se utilizan dos tipos diferentes de análisis de RMN para proporcionar análisis en tiempo real de alimentos y productos con el fin de controlar y optimizar las operaciones unitarias. Espectrómetros de RMN en el dominio del tiempo (TD-NMR) que funcionan a campo bajo (2–20 MHz para1h) producen datos de desintegración por inducción libre que se pueden utilizar para determinar los valores absolutos del contenido de hidrógeno , la información reológica y la composición de los componentes. Estos espectrómetros se utilizan en la minería , la producción de polímeros , la fabricación de cosméticos y alimentos, así como en el análisis del carbón . Los espectrómetros FT-NMR de alta resolución que funcionan en el rango de 60 MHz con sistemas de imanes permanentes blindados producen alta resolución1hEspectros de RMN de corrientes de refinerías y petroquímicas . La variación observada en estos espectros con propiedades físicas y químicas cambiantes se modela mediante quimiometría para generar predicciones sobre muestras desconocidas. Los resultados de la predicción se proporcionan a los sistemas de control a través de salidas analógicas o digitales del espectrómetro.
En el campo magnético de la Tierra , las frecuencias de RMN se encuentran en el rango de frecuencia de audio , o en las bandas de frecuencia muy baja y frecuencia ultrabaja del espectro de radiofrecuencia . La RMN del campo terrestre (EFNMR) generalmente se estimula aplicando un pulso de campo magnético de CC relativamente fuerte a la muestra y, una vez finalizado el pulso, analizando el campo magnético alterno de baja frecuencia resultante que se produce en el campo magnético de la Tierra debido a la desintegración por inducción libre. (DEFENSOR). Estos efectos se aprovechan en algunos tipos de magnetómetros , espectrómetros EFNMR y generadores de imágenes por resonancia magnética. Su carácter portátil y económico hace que estos instrumentos sean valiosos para uso en el campo y para enseñar los principios de la RMN y la RMN.
Una característica importante de la espectrometría EFNMR en comparación con la RMN de campo alto es que algunos aspectos de la estructura molecular se pueden observar más claramente en campos bajos y frecuencias bajas, mientras que otros aspectos observables en campos altos no son observables en campos bajos. Esto es porque:
En la RMN de campo cero, todos los campos magnéticos están protegidos de manera que se logran campos magnéticos por debajo de 1 nT (nano tesla ) y las frecuencias de precesión nuclear de todos los núcleos son cercanas a cero e indistinguibles. En esas circunstancias, los espectros observados ya no están dictados por cambios químicos sino principalmente por interacciones de acoplamiento J que son independientes del campo magnético externo. Dado que los esquemas de detección inductiva no son sensibles a frecuencias muy bajas, del orden de los acoplamientos J (típicamente entre 0 y 1000 Hz), se utilizan esquemas de detección alternativos. Específicamente, los magnetómetros sensibles resultan ser buenos detectores de RMN de campo cero. Un entorno de campo magnético cero no proporciona ninguna polarización, por lo que es la combinación de RMN de campo cero con esquemas de hiperpolarización lo que hace que la RMN de campo cero sea deseable.
La computación cuántica por RMN utiliza los estados de espín de los núcleos dentro de las moléculas como qubits . La RMN se diferencia de otras implementaciones de computadoras cuánticas en que utiliza un conjunto de sistemas; en este caso, moléculas.
Varios magnetómetros utilizan efectos de RMN para medir campos magnéticos, incluidos los magnetómetros de precesión de protones (PPM) (también conocidos como magnetómetros de protones ) y los magnetómetros de Overhauser .
La resonancia magnética superficial (o sondeo por resonancia magnética) se basa en el principio de la resonancia magnética nuclear (RMN) y las mediciones pueden utilizarse para estimar indirectamente el contenido de agua de las zonas saturadas e insaturadas del subsuelo terrestre. [32] SNMR se utiliza para estimar las propiedades del acuífero, incluida la cantidad de agua contenida en el acuífero , la porosidad y la conductividad hidráulica .
Los principales fabricantes de instrumentos de RMN incluyen Thermo Fisher Scientific , Magritek , Oxford Instruments , Bruker , Spinlock SRL , General Electric , JEOL , Kimble Chase , Philips , Siemens AG y anteriormente Agilent Technologies (que adquirió Varian, Inc. ).
![{\displaystyle \mathrm {Pureza} ={\frac {w_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl} }} {w_{\mathrm {spl} }\times MW_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {spl} }}}\times P}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35c4016779f717dcf458edfdb94adfb40fb78fa1)
