Resonancia magnética nuclear

Técnica espectroscópica basada en el cambio de estado del espín nuclear

Espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) Bruker de 700 MHz.

Principios básicos de la resonancia magnética nuclear (RMN)

La resonancia magnética nuclear ( RMN ) es un fenómeno físico en el que los núcleos en un campo magnético constante fuerte 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 en el núcleo. Este proceso ocurre cerca de la resonancia , cuando la frecuencia de oscilación coincide con la frecuencia intrínseca de los núcleos, que depende de la fuerza del campo magnético estático, el entorno 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 las propiedades magnéticas específicas de ciertos núcleos atómicos. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear de alta resolución se usa 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 de forma rutinaria en técnicas avanzadas de obtención de imágenes médicas , como la resonancia magnética (RM). 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, que tiene como objetivo eliminar el efecto de los mismos acoplamientos mediante técnicas de giro de ángulo mágico .

Los núcleos más utilizados son1yoy13do, aunque los isótopos de muchos otros elementos, como19F,³¹
PAG
, y29Si, también se puede estudiar mediante espectroscopia de RMN de alto campo. Para interactuar con el campo magnético en el espectrómetro, el núcleo debe tener un momento angular intrínseco y un momento dipolar magnético nuclear . Esto ocurre cuando un isótopo tiene un espín nuclear distinto de cero , es decir, un número impar de protones y/o neutrones (véase Isótopo ). Los nucleidos con un número par de ambos tienen un espín total de cero y, por lo tanto, no son activos en RMN.

En su aplicación a moléculas, el efecto RMN se puede observar solo en presencia de un campo magnético estático. Sin embargo, en las fases ordenadas 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 realizar la RMN en campo aplicado cero. Además, las transiciones de radiofrecuencia de espín nuclear I > ⁠1/2⁠ con un acoplamiento cuadrupolar eléctrico suficientemente grande al gradiente de campo eléctrico en el núcleo también puede excitarse en un campo magnético aplicado cero ( resonancia cuadrupolar nuclear ).

En la aplicación química dominante, el uso de campos más altos mejora la sensibilidad del método (la relación señal-ruido se escala 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 refrigerados con helio líquido con campos de hasta 28 Tesla . ^[2]

Una característica clave de la RMN es que la frecuencia de resonancia de los núcleos de una sustancia de muestra particular suele ser directamente proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado. Esta característica es la que se aprovecha 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 dónde se encuentren en el campo. Este efecto sirve como base para la obtención de imágenes por resonancia magnética .

El principio de RMN generalmente implica tres pasos secuenciales:

• La alineación (polarización) de los espines nucleares magnéticos en un campo magnético constante aplicado B ₀ .
• La perturbación de esta alineación de los espines nucleares por un campo magnético oscilante débil, generalmente denominado pulso de radiofrecuencia (RF). La frecuencia de oscilación necesaria para una perturbación significativa depende del campo magnético estático ( B ₀ ) y de los núcleos de observación.
• La detección de la señal de RMN durante o después del pulso de RF, debido al voltaje inducido en una bobina de detección por la precesión de los espines nucleares alrededor de B _{0 . Después de un pulso de RF, la precesión ocurre generalmente con la} frecuencia de Larmor de los núcleos y, en sí misma, no implica transiciones entre estados de espín o niveles de energía. ^[1]

Los dos campos magnéticos se eligen generalmente 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 la espectroscopia de RMN y la resonancia magnética. Ambos utilizan campos magnéticos aplicados ( B ₀ ) de gran intensidad, generalmente producidos por grandes corrientes en bobinas superconductoras , para lograr la dispersión de las frecuencias de respuesta y de muy alta homogeneidad y estabilidad para proporcionar una resolución espectral , cuyos detalles se describen mediante desplazamientos químicos , el efecto Zeeman y los desplazamientos de Knight (en metales). La información proporcionada por RMN también se puede aumentar utilizando hiperpolarización y/o utilizando técnicas bidimensionales, tridimensionales y de dimensiones superiores.

Los fenómenos de RMN también se utilizan en la RMN de campo bajo , la espectroscopia de RMN y la resonancia magnética en el campo magnético de la Tierra (denominada RMN de campo terrestre) y en varios tipos de magnetómetros .

Historia

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 la patente estadounidense 2.561.490, "Método y medios para correlacionar las propiedades nucleares de los átomos y los campos magnéticos", el 21 de octubre de 1948, y fue aceptada el 24 de julio de 1951. Varian Associates desarrolló la primera unidad de RMN denominada 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 requerida ]}

Rabi, Bloch y Purcell observaron que los núcleos magnéticos, como1yoy³¹
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, podría absorber energía de RF cuando se coloca en un campo magnético y cuando la RF era de una frecuencia específica para la identidad de los núcleos. Cuando ocurre esta absorción, el núcleo se describe como en resonancia . Diferentes núcleos atómicos dentro de una molécula resuenan a diferentes frecuencias (de radio) en el mismo campo magnético estático aplicado, debido a varios campos magnéticos locales. 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 requerida ]} Originalmente como una 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 la superconductividad mediante la observación por Charles Slichter del efecto Hebel-Slichter. Pronto mostró su potencial en la química orgánica , donde la RMN se ha vuelto indispensable, y en la década de 1990 la mejora en la sensibilidad y resolución de la espectroscopia de RMN resultó en su amplio uso en la química analítica , la bioquímica y la ciencia de los materiales . ^{[ cita requerida ]}

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]

Teoría de la resonancia magnética nuclear

Giros nucleares e imanes

Todos los nucleones, es decir, neutrones y 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 giratoria. El espín general del núcleo está determinado por el número cuántico de espín S. Si los números de protones y neutrones en un nucleido dado son pares, entonces S = 0 , es decir, no hay espín general. Entonces, al igual que los electrones se aparean en orbitales atómicos no degenerados , también lo hacen números pares de protones o números pares de neutrones (ambos también son de espín-1/2⁠ partículas y, por lo tanto, fermiones ), lo que da un espín general cero. ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, un protón y un neutrón desapareados tendrán 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 la energía para espines paralelos tiene que ver con la estructura de quarks de estos dos nucleones. ^{[ cita requerida ]} Como resultado, el estado fundamental de espín para el deuterón (el núcleo del deuterio , el isótopo ² H del hidrógeno), que solo tiene 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 tritio del hidrógeno debe tener un par de neutrones de espín antiparalelos (de espín total cero para el par de espines del neutrón), más un protón de espín ⁠1/2⁠ . Por lo tanto, el valor del espín nuclear total del tritio es nuevamente1/2⁠ , al igual que el isótopo de hidrógeno más simple y abundante, el núcleo ¹ H (el protón ). La frecuencia de absorción de RMN para el 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 y puede tener una contribución del momento angular orbital del nucleón desapareado . Por ejemplo, el²⁷
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El núcleo tiene un valor de espín global S = ⁠5/2⁠ .

Un espín distinto de cero se asocia con un momento dipolar magnético distinto de cero, , a través de la relación donde γ es la relación giromagnética . Clásicamente, esto corresponde a la proporcionalidad entre el momento angular y el momento dipolar magnético de una esfera cargada giratoria, ambos vectores paralelos al eje de rotación cuya longitud aumenta proporcionalmente a la frecuencia de giro. Es el momento magnético y su interacción con los campos magnéticos lo que permite la observación de la señal de RMN asociada con las transiciones entre los niveles de espín nuclear durante la irradiación de RF resonante o causada por la precesión de Larmor del momento magnético promedio después de la irradiación resonante. Los nucleidos con números pares de protones y neutrones tienen un momento dipolar magnético nuclear cero y, por lo tanto, no exhiben señal de RMN. Por ejemplo, ${\displaystyle {\vec {S}}}$ ${\displaystyle {\vec {\mu }}}$ $${\displaystyle {\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}}$$18Ohes un ejemplo de un nucleido que no produce señal de RMN, mientras que13do,³¹
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,35Cly37Clson nucleidos que sí presentan espectros de RMN. Los dos últimos núcleos tienen espín S > ⁠1/2⁠ y por lo tanto son núcleos cuadrupolares.

La resonancia de espín electrónico (ESR) es una técnica relacionada en la que se detectan transiciones entre niveles de espín electrónico en lugar de nuclear. Los principios básicos son similares, pero la instrumentación, el análisis de datos y la teoría detallada son significativamente diferentes. Además, hay una cantidad 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 espín mucho mayor que la RMN. ^{[ cita requerida ]}

Valores del momento angular de espín

El espín nuclear es un momento angular intrínseco que está cuantizado. Esto significa que la magnitud de este momento angular está cuantizada (es decir, S solo puede tomar un rango restringido de valores), y también que los componentes x, y y z del momento angular están cuantizados, estando restringidos a múltiplos enteros o semienteros de ħ , la constante de Planck reducida . 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 el 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 S + 1 estados de momento angular. ^{[ cita requerida ]}

Por lo tanto, el componente z del vector de momento angular ( ) es S _z = mħ . El componente z del momento magnético es simplemente: ${\displaystyle {\vec {S}}}$ $${\displaystyle \mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .}$$

Energía de espín en un campo magnético

División de las energías de espín de los núcleos en un campo magnético externo

Un modelo intuitivo. Los núcleos con espín tienen momentos magnéticos ( momentos magnéticos de espín ). Por sí solo, no hay diferencia energética para ninguna orientación particular del imán nuclear (solo un estado de energía, a la izquierda), pero en un campo magnético externo hay un estado de alta energía y un estado de baja energía dependiendo de la orientación relativa del imán con respecto al campo externo, y en equilibrio térmico, se prefiere la orientación de baja energía. La orientación promedio del momento magnético precesará alrededor del campo. El campo externo puede ser proporcionado por un imán grande y también por electrones y otros núcleos en las proximidades.

Consideremos núcleos con un espín de la mitad, como1yo,13doo19FCada núcleo tiene dos estados de espín linealmente independientes, con m = ⁠1/2⁠ o m = − ⁠1/2⁠ (también denominados estados de espín ascendente y descendente, o a veces estados de espín α y β, respectivamente) para el componente z del espín. En ausencia de un campo magnético, estos estados son degenerados; es decir, tienen la misma energía. Por lo tanto, el número de núcleos en estos dos estados será esencialmente igual en el equilibrio térmico . ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, si se coloca un núcleo con espín 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: ${\displaystyle {\vec {\mu }}}$ $${\displaystyle E=-{\vec {\mu }}\cdot \mathbf {B} _{0}=-\mu _{x}B_{0x}-\mu _{y}B_{0y}-\mu _{z}B_{0z}.}$$

Generalmente se elige que el eje z esté a lo largo de B ₀ , y la expresión anterior se reduce a: o alternativamente: $${\displaystyle E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\,,}$$ $${\displaystyle E=-\gamma m\hbar B_{0}\,.}$$

Como resultado, los diferentes estados de espín nuclear tienen energías diferentes 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 como alineados a favor o en contra del campo magnético. Si γ es positivo (cierto para la mayoría de los isótopos utilizados en RMN), entonces m = ⁠1/2⁠ ("spin up") es el estado de energía más bajo.

La diferencia de energía entre los dos estados es: y esto da como resultado un pequeño sesgo de población que favorece el estado de menor energía en equilibrio térmico. Con más espines apuntando hacia arriba que hacia abajo, se produce una magnetización neta de espines a lo largo del campo magnético B ₀ . $${\displaystyle \Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\,,}$$

Precesión de la magnetización del espín

Un concepto central en RMN es la precesión de la magnetización de espín alrededor del campo magnético en el núcleo, con la frecuencia angular donde se relaciona con la frecuencia de oscilación y B es la magnitud del campo. ^[10] Esto significa que la magnetización de espín, que es proporcional a la suma de los vectores de espín de los núcleos en sitios magnéticamente equivalentes (el valor esperado del vector de espín en mecánica cuántica), se mueve en un cono alrededor del campo B. Esto es análogo al movimiento de precesión del eje de una peonza inclinada alrededor del campo gravitacional. En mecánica cuántica, es la frecuencia de Bohr ^[10] de los valores esperados y . La precesión de la magnetización de no equilibrio en el campo magnético aplicado B ₀ ocurre con la frecuencia de Larmor sin cambio en las poblaciones de los niveles de energía porque la energía es constante (hamiltoniano independiente del tiempo). ^[11] $${\displaystyle \omega =-\gamma B}$$ ${\displaystyle \omega =2\pi \nu }$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \Delta {E}/\hbar }$ ${\displaystyle S_{x}}$ ${\displaystyle S_{y}}$ $${\displaystyle \omega _{L}=2\pi \nu _{L}=-\gamma B_{0},}$$

Resonancia magnética y pulsos de radiofrecuencia

Una perturbación de las orientaciones del espín nuclear con respecto al equilibrio ocurrirá solo 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 espín hacia arriba y hacia abajo experimentan 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 2–1000 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 que después de un tiempo dos veces más largo, la magnetización inicial se ha invertido ("pulso de 180°"). Se trata de la magnetización transversal generada por un campo oscilante resonante que se detecta habitualmente en RMN, durante la aplicación del campo de RF relativamente débil en la RMN de onda continua tradicional, o después del pulso de RF relativamente fuerte en la RMN pulsada moderna. ^{[ cita requerida ]}

Blindaje químico

De lo anterior se podría deducir que todos los núcleos del mismo nucleido (y por tanto del mismo γ ) resonarían exactamente a la misma frecuencia, pero no es así. La perturbación más importante de la frecuencia de RMN para las aplicaciones de RMN es el efecto de "blindaje" de las capas de electrones que rodean el núcleo. ^[13] Los electrones, al igual que el 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 lo que determina la frecuencia de RMN). Como resultado, también se reduce la frecuencia necesaria para lograr la resonancia.

Este cambio en la frecuencia de RMN debido al acoplamiento de los orbitales moleculares electrónicos al campo magnético externo se llama desplazamiento químico , y explica por qué la RMN puede investigar la estructura química de las moléculas, que depende de la distribución de la densidad electrónica en los orbitales moleculares correspondientes. Si un núcleo en un grupo químico específico está protegido en mayor grado por una mayor densidad electrónica de sus orbitales moleculares circundantes, entonces su frecuencia de RMN se desplazará "campo arriba" (es decir, un desplazamiento químico menor), mientras que si está menos protegido por dicha densidad electrónica circundante, entonces su frecuencia de RMN se desplazará "campo abajo" (es decir, un desplazamiento químico mayor).

A menos que la simetría local de dichos orbitales moleculares sea muy alta (lo que conduce 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 un giro de ángulo mágico para promediar esta dependencia de la orientación con el fin de obtener valores de frecuencia en los desplazamientos químicos promedio o isotrópicos. Esto es innecesario en las investigaciones de RMN convencionales de moléculas en solución, ya que el "volteo molecular" rápido promedia la anisotropía del desplazamiento químico (CSA). En este caso, el desplazamiento químico "promedio" (ACS) o el desplazamiento químico isotrópico a menudo se denomina simplemente desplazamiento químico.

Relajación

Visualización de los _{tiempos de relajación} T1 y T2 .

El proceso de relajación de la población se refiere a los espines nucleares que vuelven al equilibrio termodinámico en el imán. Este proceso también se denomina T 1 , relajación " red-espín " o "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 volver a sondear, ya que se encuentra en el estado inicial de equilibrio (mixto). ^{[ cita requerida ]}

Los núcleos en precesión también pueden desalinearse entre sí y dejar gradualmente de producir una señal. Esto se llama T 2 o relajación transversal . Debido a la diferencia en los mecanismos de relajación reales involucrados (por ejemplo, interacciones magnéticas dipolo-dipolo intermoleculares versus intramoleculares), T ₁ suele ser (excepto en casos raros) más largo que T ₂ (es decir, relajación de espín-red más lenta, por ejemplo debido a efectos de interacción dipolo-dipolo más pequeños). En la práctica, el valor de T ₂ *, que es el tiempo de decaimiento realmente observado de la señal de RMN observada, o decaimiento por inducción libre (a ⁠1/mi⁠ de la amplitud inicial inmediatamente después del pulso de RF resonante), también depende de la inhomogeneidad del campo magnético estático, que puede ser bastante significativa. (También hay una contribución menor pero significativa al acortamiento de FID observado de la inhomogeneidad de RF del pulso resonante). ^{[ cita requerida ]} En el espectro FT-NMR correspondiente, es decir, la transformada de Fourier de la desintegración por inducción libre , el ancho de la señal de RMN en unidades de frecuencia está inversamente relacionado con el tiempo T _{2 * . 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 T ₂ * más cortos dan lugar a picos FT-NMR amplios incluso cuando el imán está bien calzado. Tanto T ₁ como T ₂ dependen de la velocidad de los movimientos moleculares, así como de las relaciones giromagnéticas de los núcleos resonantes y de sus núcleos vecinos fuertemente interactuantes que no están en resonancia. ^{[ cita requerida ]}

Un experimento de desintegración del eco de Hahn que mide el tiempo de desfase.

Se puede utilizar un experimento de decaimiento 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 se reenfoca con el pulso de 180°. En casos simples, se mide un decaimiento exponencial que se describe mediante el tiempo T ₂ .

Espectroscopia de RMN

Imán de RMN de 21,2 T y 900 MHz  en HWB-NMR, Birmingham, Reino Unido

La espectroscopia de RMN es una de las principales técnicas utilizadas para obtener información física, química, electrónica y estructural sobre las moléculas debido al desplazamiento químico de las frecuencias de resonancia de los espines nucleares en la muestra. Las divisiones de picos debido a acoplamientos J o dipolares entre núcleos también son útiles. La espectroscopia de RMN puede proporcionar información detallada y cuantitativa sobre los grupos funcionales, la topología, la dinámica y la estructura tridimensional de las moléculas en solución y en estado sólido. Dado que el área bajo un pico de RMN suele ser proporcional al número de espines involucrados, las integrales de pico se pueden utilizar para determinar la composición cuantitativamente. ^{[ cita requerida ]}

La estructura y la dinámica molecular se pueden estudiar (con o sin giro de "ángulo mágico" (MAS)) mediante RMN de núcleos cuadrupolares (es decir, con espín S > ⁠1/2) incluso en presencia de ensanchamiento 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 magnética frente a eléctrica. ^{[ cita requerida ]}

Se puede obtener información estructural y química adicional realizando experimentos de RMN de doble cuanto para pares de espines o núcleos cuadrupolares como2yoAdemás, la resonancia magnética nuclear es una de las técnicas que se ha utilizado para diseñar autómatas cuánticos y también para construir computadoras cuánticas elementales . ^{[14] [15]}

Espectroscopia de onda continua (CW)

En las primeras décadas de la resonancia magnética nuclear, los espectrómetros utilizaban una técnica conocida como espectroscopia de onda continua (OC), en la que la magnetización de espín transversal generada por un campo magnético oscilante débil se registra como una 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 podían obtenerse, 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 lo tanto, el campo magnético) en un electroimán para observar las señales de absorción resonantes. Este es el origen de la terminología contraintuitiva, pero todavía común, de "campo alto" y "campo bajo" para las regiones de baja y alta frecuencia, respectivamente, del espectro de RMN.

En 1996, los instrumentos de onda continua se seguían utilizando para trabajos rutinarios porque los instrumentos más antiguos eran más baratos de mantener y operar, y a menudo funcionaban a 60 MHz con electroimanes correspondientemente más débiles (no superconductores) refrigerados con agua en lugar de helio líquido. Una bobina de radio funcionaba de forma continua, 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] En 2014, los sistemas reacondicionados de gama baja de 60 MHz y 90 MHz se vendieron como instrumentos FT-NMR, ^{[17] [ aclaración necesaria ]} y en 2010 el instrumento de RMN "de trabajo promedio" se configuró para 300 MHz. ^{[18] [ aclaración necesaria ]}

La espectroscopia de onda continua es ineficiente en comparación con las técnicas de análisis de Fourier (ver más abajo) ya que sondea 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 sufre de una mala relación señal-ruido . Esto se puede mitigar 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 suma linealmente, el ruido aleatorio se suma más lentamente, proporcional a la raíz cuadrada del número de espectros agregados (ver paseo aleatorio ). Por lo tanto, la relación señal-ruido general aumenta como la raíz cuadrada del número de espectros medidos. Sin embargo, monitorear una señal de RMN en una sola frecuencia en función del tiempo puede ser más adecuado para estudios cinéticos que la espectroscopia de RMN con transformada de Fourier pulsada. ^[19]

Espectroscopia por transformada de Fourier

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 de CW simples implicaban iluminar el objetivo simultáneamente con más de una frecuencia. Se produjo una revolución en RMN cuando se empezaron a utilizar pulsos cortos de radiofrecuencia, con una frecuencia centrada en la mitad del espectro de 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 contiene contribuciones de todas las frecuencias en la vecindad de la frecuencia principal. ^[20] El rango restringido de las frecuencias de RMN para la mayoría de los espín de la luz1/2Los núcleos hicieron que fuera relativamente fácil utilizar pulsos de radiofrecuencia cortos (de 1 a 100 microsegundos) para excitar todo el espectro de RMN.

La aplicación de un pulso de este tipo a un conjunto de espines nucleares excita simultáneamente todas las transiciones de RMN de un solo cuanto. En términos del vector de magnetización neta, esto corresponde a inclinar el vector de magnetización alejándolo de su posición de equilibrio (alineado a lo largo del campo magnético externo). El vector de magnetización fuera de equilibrio luego precesa 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 decaimiento por inducción libre (FID, por sus siglas en inglés) 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 vs. frecuencia de RMN), esta señal en el dominio del tiempo (intensidad vs. tiempo) debe ser transformada de Fourier. Afortunadamente, el desarrollo de la RMN por transformada de Fourier (FT) coincidió con el desarrollo de las computadoras digitales y la transformada rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés) digital. 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 sobre la RMN por transformada de Fourier y su desarrollo de la espectroscopia RMN multidimensional.

Espectroscopia RMN multidimensional

El uso de pulsos de diferentes duraciones, frecuencias o formas en patrones o secuencias de pulsos diseñados específicamente permite la producción de un espectro que contiene muchos tipos diferentes de información sobre las moléculas en 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 sondear las oscilaciones del sistema de espín punto por punto en el dominio del tiempo. La transformación de Fourier multidimensional de la señal de tiempo 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.

Existen 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 se clasifican generalmente en dos tipos. Existen interacciones a través del enlace y a través del espacio . Las interacciones a través del enlace se relacionan con la conectividad estructural de los átomos y brindan información sobre cuáles están conectados directamente entre sí, conectados a través 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 2D-FT fue propuesto por Jean Jeener de la Universidad Libre de Bruselas en una conferencia internacional, esta idea fue desarrollada en gran parte 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 2D-FT de moléculas pequeñas. ^[21] Los experimentos de RMN FT multidimensionales se desarrollaron luego aún más hasta convertirse en metodologías poderosas para estudiar moléculas en solución, en particular para la determinación de la estructura de biopolímeros como proteínas o incluso ácidos nucleicos pequeños . ^[22]

En 2002, Kurt Wüthrich compartió el Premio Nobel de Química (con John Bennett Fenn y Koichi Tanaka ) por su trabajo con FT NMR de proteínas en solución.

Espectroscopia RMN de estado sólido

Esta técnica complementa la cristalografía de rayos X en el sentido de que se aplica con frecuencia a moléculas en estado amorfo o líquido-cristalino , mientras que la cristalografía, como su nombre lo indica, se realiza en moléculas en fase cristalina. En materiales conductores de la electricidad, el desplazamiento de Knight de la frecuencia de resonancia puede proporcionar información sobre los portadores de carga móviles. Aunque la resonancia magnética nuclear se utiliza para estudiar la estructura de los sólidos, es más difícil obtener amplios detalles estructurales a nivel atómico en el estado sólido. Debido al ensanchamiento por anisotropía de desplazamiento químico (CSA) y los acoplamientos dipolares a otros espines nucleares, sin técnicas especiales como MAS o desacoplamiento dipolar por pulsos de RF, el espectro observado es a menudo solo una amplia banda gaussiana 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 muestra de ángulo mágico; MASS) que le permitió lograr una resolución espectral en sólidos suficiente para distinguir entre grupos químicos con diferentes desplazamientos químicos o desplazamientos de Knight distintos . 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 B ₀ ; como resultado de dicho giro de muestra de ángulo mágico, las bandas de anisotropía de desplazamiento químico ancho se promedian a sus valores de desplazamiento químico promedio (isotrópico) correspondientes. La alineación correcta del eje de rotación de la muestra lo más cerca posible de θ _m es esencial para cancelar el ensanchamiento de la anisotropía del desplazamiento químico. Existen diferentes ángulos para el giro de la muestra en relación con el campo aplicado para promediar las interacciones cuadrupolo eléctrico y las interacciones paramagnéticas, correspondientemente ~30,6° y ~70,1°. En los materiales amorfos, persiste un ensanchamiento residual de la línea, ya que cada segmento se encuentra en un entorno ligeramente diferente, por lo que exhibe una frecuencia de RMN ligeramente diferente.

El ensanchamiento o la división de líneas por acoplamientos dipolares o J a núcleos ¹ H cercanos se eliminan generalmente 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 rutinariamente para medir espectros de alta resolución de núcleos de baja abundancia y baja sensibilidad, como carbono-13, silicio-29 o nitrógeno-15, en sólidos. Se puede lograr una mejora significativa de la señal mediante la polarización nuclear dinámica de electrones desapareados a los núcleos, generalmente a temperaturas cercanas a 110 K.

Sensibilidad

Dado que la intensidad de las señales de resonancia magnética nuclear y, por lo tanto, la sensibilidad de la técnica dependen 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 ha señalado anteriormente, la sensibilidad de las señales de resonancia magnética nuclear también depende de la presencia de un nucleido magnéticamente susceptible y, por tanto, de la abundancia natural de dichos nucleidos o de la capacidad del experimentador para enriquecer artificialmente las moléculas en estudio con dichos nucleidos. Los isótopos más abundantes de origen natural, como el hidrógeno y el 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 que sólo se dan en abundancia natural muy baja.

Otras limitaciones de la sensibilidad surgen de la naturaleza mecánico-cuántica del fenómeno. Para estados cuánticos separados por energía equivalente a frecuencias de radio, la energía térmica del entorno hace que las poblaciones de los estados sean casi iguales. Dado que la radiación entrante tiene la misma probabilidad de causar emisión estimulada (una transición del estado superior al inferior) que absorción, el efecto RMN depende de un exceso de núcleos en los estados inferiores. Varios factores pueden reducir la sensibilidad, entre ellos:

• Aumento de la temperatura, lo que equilibra la población de estados de Boltzmann . Por el contrario, la RMN a baja temperatura a veces puede dar mejores resultados que la RMN a temperatura ambiente, siempre que la muestra permanezca líquida.
• Saturación de la muestra con energía aplicada a la radiofrecuencia resonante. Esto se manifiesta tanto en CW como en RMN pulsada; en el primer caso (CW) esto sucede al usar demasiada potencia continua que mantiene los niveles de espín superiores completamente poblados; en el segundo caso (pulsado), cada pulso (que es al menos un pulso de 90°) deja la muestra saturada, y debe transcurrir de cuatro a cinco veces el tiempo de relajación (longitudinal) (5 T ₁ ) antes de que se pueda aplicar el siguiente pulso o secuencia de pulsos. Para experimentos de pulso único, se pueden usar pulsos de RF más cortos que inclinan la magnetización menos de 90°, lo que pierde algo de intensidad de la señal, pero permite retrasos de reciclado más cortos . El óptimo allí se llama ángulo de Ernst , en honor al premio Nobel . Especialmente en RMN de estado sólido, o en muestras que contienen muy pocos núcleos con espín (el diamante con el 1% natural de carbono-13 es especialmente problemático aquí) los tiempos de relajación longitudinal pueden estar en el rango de horas, mientras que para RMN de protones a menudo están en el rango de un segundo.
• Efectos no magnéticos, como el acoplamiento eléctrico- cuadrupolo de espín-1 y espín-3/2⁠ núcleos con su entorno local, que amplían y debilitan los picos de absorción.¹⁴
  norte
  , un núcleo de espín 1 abundante, es difícil de estudiar por esta razón. La RMN de alta resolución, en cambio, investiga moléculas utilizando el más raro¹⁵
  norte
  isótopo, que tiene espín-1/2⁠ .

Isótopos

Se pueden utilizar muchos isótopos de elementos químicos para el análisis de RMN. ^[23]

Núcleos de uso común:

• 1yo, el giro más comúnmente utilizado1/2El núcleo en las investigaciones de RMN se ha estudiado utilizando muchas formas de RMN. El hidrógeno es muy abundante, especialmente en los sistemas biológicos . Es el núcleo que proporciona la señal de RMN más fuerte (aparte de3yo, que no se utiliza comúnmente debido a su inestabilidad y radiactividad). La RMN de protones tiene un rango de desplazamiento químico estrecho pero proporciona señales nítidas en estado de solución. La adquisición rápida de espectros cuantitativos (con integrales de pico en proporciones estequiométricas) es posible gracias al corto tiempo de relajación.1yoEl núcleo ha proporcionado la única señal diagnóstica para la resonancia magnética clínica .
• 2yo, un núcleo de espín 1, se utiliza comúnmente para proporcionar un medio libre de señales en forma de solventes deuterados para RMN de protones, para evitar la interferencia de señales de solventes que contienen hidrógeno en la medición de1yoRMN de solutos. También se utiliza para determinar el comportamiento de los lípidos en las membranas lipídicas y otros sólidos o cristales líquidos, ya que es una etiqueta relativamente no perturbadora que puede reemplazar selectivamente1yoAlternativamente,2yoPuede detectarse en medios especialmente etiquetados con2yoLa resonancia de deuterio se utiliza comúnmente en la espectroscopia de RMN de alta resolución para monitorear la deriva de la intensidad del campo magnético (bloqueo) y para monitorear la homogeneidad del campo magnético externo.
• 3ÉlEs muy sensible a la RMN. Existe en una concentración muy baja en el helio natural y se puede purificar a partir de4ÉlSe utiliza principalmente en estudios de fulerenos endoédricos , donde su inercia química es beneficiosa para determinar la estructura del fulereno que los atrapa.
• 11Bes más sensible que10By produce señales más nítidas. El espín nuclear de ¹⁰ B es 3 y el de ¹¹ B es ⁠3/2Se deben utilizar tubos de cuarzo porque el vidrio de borosilicato interfiere con la medición.
• 13do, un giro-1/2⁠ El núcleo es ampliamente utilizado, a pesar de su relativa escasez en carbono natural (aproximadamente 1,1%). Es estable a la desintegración nuclear. Dado que hay un bajo porcentaje en carbono natural, la adquisición de espectros en muestras que no se han enriquecido en13doRequiere mucho tiempo. Se utiliza con frecuencia para etiquetar compuestos en estudios sintéticos y metabólicos. Tiene una sensibilidad baja y un rango de desplazamiento químico moderadamente amplio, lo que produce señales nítidas. Su bajo porcentaje lo hace útil al evitar acoplamientos de espín a espín y hace que el espectro parezca menos abarrotado. La relajación lenta del ¹³ C no unido al hidrógeno significa que los espectros no son integrables a menos que se utilicen tiempos de adquisición prolongados.
• ¹⁴
  norte
  , de espín 1, es un núcleo de sensibilidad media con un amplio rango de desplazamiento químico. Su gran momento cuadrupolar interfiere con la adquisición de espectros de alta resolución, lo que limita su utilidad para moléculas más pequeñas y grupos funcionales con un alto grado de simetría, como en los grupos de cabeza de los lípidos.
• ¹⁵
  norte
  , girar-1/2⁠ , se utiliza con relativa frecuencia. Puede utilizarse para marcar isotópicamente compuestos. Es muy insensible, pero produce señales nítidas. El bajo porcentaje de nitrógeno natural junto con la baja sensibilidad requiere altas concentraciones o un enriquecimiento isotópico costoso.
• 17Oh, girar-5/2⁠ , baja sensibilidad y abundancia natural muy baja (0,037%), amplio rango de desplazamiento químico (hasta 2000 ppm). Su momento cuadrupolar provoca ensanchamiento de líneas. Se utiliza en estudios metabólicos y bioquímicos de equilibrios químicos.
• 19F, girar-1/2⁠ , se mide con relativa frecuencia. Es sensible, produce señales nítidas y tiene un amplio rango de desplazamiento químico.
• ³¹
  PAG
  , girar-1/2100 % de fósforo natural. Sensibilidad media, amplio rango de desplazamiento químico, produce líneas nítidas. Los espectros tienden a tener un nivel moderado de ruido. Se utiliza en estudios bioquímicos y en química de coordinación con ligandos que contienen fósforo.
• 35Cly37Cl, girar-3/2⁠ , señal amplia.35Cles significativamente más sensible, preferible a37ClA pesar de su señal ligeramente más amplia, los cloruros orgánicos producen señales muy amplias. Su uso se limita a cloruros inorgánicos e iónicos y moléculas orgánicas muy pequeñas.
• ⁴³
  California
  , girar-7/2⁠ , momento cuadrupolar relativamente pequeño, moderadamente sensible, abundancia natural muy baja. Se utiliza en bioquímica para estudiar la unión del calcio al ADN, las proteínas, etc.
• ¹⁹⁵
  En
  , utilizado en estudios de catalizadores y complejos.

Otros núcleos (generalmente utilizados en los estudios de sus complejos y enlaces químicos, o para detectar la presencia del elemento):

• 6Li,7Li
• 9Ser
• 19F
• ²¹
  Nordeste
  
• ²³
  N / A
  
• 25Mg
• ²⁷
  Alabama
  
• 29Si
• ³¹
  PAG
  
• 33S
• 39K,40K,41K
• ⁴⁵
  Carolina del Sur
  
• 47Sí,49Sí
• 50V,51V
• 53Cr
• ⁵⁵
  Minnesota
  
• 57Fé
• 59Co
• 61Ni
• 63Cu,65Cu
• ⁶⁷
  Zinc
  
• ⁶⁹
  Georgia
  ,⁷¹
  Georgia
  
• 73En
• ⁷⁵
  Como
  
• 77Sí
• 81Es
• 87Rb
• 87Sr
• ⁹⁵
  Mes
  
• ¹⁰⁹
  Ag
  
• ¹¹³
  Cd
  
• ¹¹⁹
  Sn
  
• ¹²⁵
  Te
  
• 127I
• ¹³³
  Cs
  
• ¹³⁵
  Licenciado en Letras
  ,¹³⁷
  Licenciado en Letras
  
• ¹³⁹
  La
  
• ¹⁸³
  Yo
  
• ¹⁹⁹
  Hg
  

Aplicaciones

La RMN se utiliza ampliamente en medicina en forma de imágenes por resonancia magnética . La RMN se utiliza ampliamente en química orgánica y, en la industria, principalmente para el análisis de sustancias químicas. La técnica también se utiliza para medir la relación entre agua y grasa en los alimentos, controlar el flujo de fluidos corrosivos en tuberías o para estudiar estructuras moleculares como los catalizadores. ^[24]

Medicamento

Resonancia magnética médica

La aplicación de la resonancia magnética nuclear más conocida por el público en general es la obtención de imágenes por resonancia magnética para el diagnóstico médico y la microscopía por resonancia magnética en entornos de investigación. Sin embargo, también se utiliza ampliamente en estudios bioquímicos, en particular en la espectroscopia RMN, como la RMN de protones , la RMN de carbono-13 , la RMN de deuterio y la RMN de fósforo-31. También se puede obtener información bioquímica de tejido vivo (por ejemplo, tumores cerebrales humanos ) con la técnica conocida como espectroscopia por resonancia magnética in vivo o microscopía RMN de desplazamiento químico .

Estos estudios espectroscópicos son posibles porque los núcleos están rodeados de electrones en órbita, que son partículas cargadas que generan pequeños campos magnéticos locales que se suman o restan del campo magnético externo, y por lo tanto protegerán parcialmente los núcleos. La cantidad de protección depende del entorno local exacto. Por ejemplo, un hidrógeno unido a un oxígeno estará protegido de manera diferente a un hidrógeno unido a un átomo de carbono. Además, dos núcleos de hidrógeno pueden interactuar a través de un proceso conocido como acoplamiento espín-espín , si están en la misma molécula, lo que dividirá las líneas de los espectros de una manera reconocible.

Como una de las dos principales técnicas espectroscópicas utilizadas en metabolómica , la RMN se utiliza para generar huellas metabólicas a partir de fluidos biológicos para obtener información sobre estados patológicos o agresiones tóxicas.

Química

El cambio químico mencionado anteriormente fue una decepción para los físicos que esperaban que la frecuencia de resonancia de cada especie nuclear fuera constante en un campo magnético dado. ^[25] Pero alrededor de 1951, el químico SS Dharmatti fue pionero en una forma de determinar la estructura de muchos compuestos mediante el estudio de los picos de los espectros de resonancia magnética nuclear. ^[25] Puede ser una técnica muy selectiva, que distingue entre muchos átomos dentro de una molécula o conjunto de moléculas de tipo muy similar pero que difieren solo en términos de su entorno químico local. La espectroscopia de RMN se utiliza para identificar de forma inequívoca compuestos conocidos y nuevos y, como tal, generalmente es requerida por las revistas científicas para la confirmación de 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 o predichas. Se pueden dilucidar más datos estructurales observando el acoplamiento espín-espín , un proceso por el cual la frecuencia de precesión de un núcleo puede verse influenciada por la orientación del espín de un núcleo químicamente enlazado. El acoplamiento espín-espín se observa fácilmente en la RMN del hidrógeno-1 (¹
yo
 RMN) ya que su abundancia natural es cercana al 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 la transposición de Cope o sobre dinámica estructural, como la inversión de anillos en ciclohexano . A temperaturas suficientemente bajas, se puede hacer una distinción entre los hidrógenos axiales y ecuatoriales en ciclohexano.

Un ejemplo de resonancia magnética nuclear que se utiliza para determinar una estructura es el del buckminsterfullereno (a menudo llamado "buckyballs", composición C ₆₀ ). Esta forma de carbono, ahora famosa, tiene 60 átomos de carbono que forman una esfera. Los átomos de carbono están todos en entornos idénticos y, por lo tanto, deberían ver el mismo campo H interno . Desafortunadamente, el buckminsterfullereno no contiene hidrógeno y, por lo tanto,13doSe debe utilizar resonancia magnética nuclear.13doLos espectros requieren tiempos de adquisición más largos ya que el carbono-13 no es el isótopo común del carbono (a diferencia del hidrógeno, donde1yoes el isótopo común). Sin embargo, en 1990 R. Taylor y sus colaboradores de la Universidad de Sussex obtuvieron el espectro y descubrieron que contenía un solo pico, lo que confirma la estructura inusual del buckminsterfullereno. ^[26]

Determinación de pureza (p/p RMN)

Aunque 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 alto para facilitar un pesaje preciso, pero relativamente pocos protones para dar un pico claro para la integración posterior, p. ej., 1,2,4,5-tetracloro-3-nitrobenceno . Las porciones pesadas con precisión del estándar y la muestra se combinan y analizan mediante RMN. Se seleccionan los picos adecuados de ambos compuestos y se determina la pureza de la muestra mediante la siguiente ecuación.

${\displaystyle \mathrm {Purity} ={\frac {w_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl} }}{w_{\mathrm {spl} }\times MW_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {spl} }}}\times P}$

Dónde:

• w _std : peso del estándar interno
• w _spl : peso de la muestra
• n [H] _std : el área integrada del pico seleccionado para comparación en el estándar, corregido por el número de protones en ese grupo funcional
• n [H] _spl : el área integrada del pico seleccionado para la comparación en la muestra, corregida por el número de protones en ese grupo funcional
• MW _std : peso molecular del estándar
• MW _spl : peso molecular de la muestra
• P : pureza del estándar interno

Pruebas no destructivas

La resonancia magnética nuclear es extremadamente útil para analizar muestras de forma no destructiva. Los campos magnéticos de radiofrecuencia penetran fácilmente muchos tipos de materia y cualquier cosa que no sea altamente conductora o inherentemente ferromagnética . Por ejemplo, diversas 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 requerida ]}

Movimientos segmentarios y moleculares

Además de proporcionar información estática sobre las moléculas mediante la determinación de sus estructuras 3D, una de las ventajas destacables de la RMN sobre la cristalografía de rayos X es que se puede utilizar 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 cuadrupolo eléctrico a la frecuencia instantánea de RMN en un entorno molecular anisotrópico. ^[27] Cuando la molécula o segmento que contiene el núcleo observado por RMN cambia su orientación en relación con el campo externo, la frecuencia de RMN cambia, lo que puede dar lugar a cambios en los espectros unidimensionales o bidimensionales o en los tiempos de relajación, dependiendo del tiempo de correlación y la amplitud del movimiento.

Adquisición de datos en la industria petrolera

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 . Las primeras investigaciones en este campo comenzaron en la década de 1950, sin embargo, los primeros instrumentos comerciales no se lanzaron al mercado hasta principios de la década de 1990. ^[28] Se perfora un pozo en la roca y en los estratos sedimentarios en los que se introduce el equipo de registro por resonancia magnética nuclear. El análisis por 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 de RMN, una subcategoría del registro electromagnético, mide el momento magnético inducido de los núcleos de hidrógeno (protones) contenidos dentro del espacio poroso lleno de fluido de los medios porosos (rocas de yacimiento). 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 de 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 de manera efectiva al volumen, la composición, la viscosidad y la distribución de estos fluidos, por ejemplo, petróleo, gas o agua. Los registros de RMN brindan información sobre las cantidades de fluidos presentes, las propiedades de estos fluidos y los tamaños de los poros que contienen estos fluidos. A partir de esta información, es posible inferir o estimar:

• El volumen (porosidad) y la distribución (permeabilidad) del espacio poroso de la roca.
• Composición de la roca
• Tipo y cantidad de hidrocarburos fluidos
• Producibilidad de hidrocarburos

La medición básica de los núcleos y los registros es la desintegración _de T2 , que se presenta como una distribución de las amplitudes de T2 en función del tiempo en cada profundidad de muestra, normalmente de 0,3 ms a 3 s. La _{desintegración} de _T2 se procesa posteriormente para obtener el volumen total de poros (la porosidad total) y los volúmenes de poros dentro de diferentes rangos de _T2 . Los volúmenes más comunes son el fluido ligado y el fluido libre. Se realiza una estimación de la permeabilidad utilizando una transformación 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 la difusión mejorada.

Sondas de flujo para espectroscopia RMN

Se han desarrollado aplicaciones en tiempo real de RMN en medios líquidos utilizando sondas de flujo específicamente diseñadas (conjuntos de celdas de flujo) que pueden reemplazar las sondas de tubo estándar. Esto ha permitido técnicas que pueden incorporar el uso de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) u otros dispositivos de introducción de muestras de flujo continuo. ^[29] Estas sondas de flujo se han utilizado en varios procesos de monitoreo en línea, como reacciones químicas, ^[30] degradación de contaminantes ambientales. ^[31]

Control de procesos

La RMN ha entrado ahora en el campo del control de procesos en tiempo real y la optimización de procesos en refinerías de petróleo y plantas petroquímicas . Se utilizan dos tipos diferentes de análisis de RMN para proporcionar un análisis en tiempo real de las alimentaciones y los productos con el fin de controlar y optimizar las operaciones de la unidad. Los espectrómetros de RMN de dominio temporal (TD-NMR) que funcionan en un campo bajo (2–20 MHz para1yo) producen datos de desintegración por inducción libre que se pueden utilizar para determinar valores absolutos de contenido de hidrógeno , información reológica y composición de componentes. Estos espectrómetros se utilizan en minería , producción de polímeros , fabricación de cosméticos y alimentos, así como en análisis de carbón . Los espectrómetros FT-NMR de alta resolución que operan en el rango de 60 MHz con sistemas de imán permanente blindados producen datos de alta resolución.1yoEspectros de RMN de corrientes de refinería y petroquímicas . La variación observada en estos espectros con el cambio de propiedades físicas y químicas se modela mediante quimiometría para generar predicciones sobre muestras desconocidas. Los resultados de las predicciones se proporcionan a los sistemas de control a través de salidas analógicas o digitales del espectrómetro.

RMN del campo terrestre

En el campo magnético de la Tierra , las frecuencias de RMN se encuentran en el rango de frecuencias de audio , o en las bandas de frecuencias muy bajas y ultrabajas del espectro de frecuencias de radio . La RMN del campo de la Tierra (EFNMR) se estimula típicamente aplicando un pulso de campo magnético de CC relativamente fuerte a la muestra y, después del final del 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 (FID). Estos efectos se explotan en algunos tipos de magnetómetros , espectrómetros EFNMR y generadores de imágenes de resonancia magnética. Su naturaleza portátil y económica hace que estos instrumentos sean valiosos para el uso en el campo y para enseñar los principios de la RMN y la resonancia magnética.

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 con mayor claridad en campos bajos y frecuencias bajas, mientras que otros aspectos observables en campos altos no se observan en campos bajos. Esto se debe a que:

• Los acoplamientos J heteronucleares mediados por electrones ( acoplamientos espín-espín ) son independientes del campo y producen grupos de dos o más frecuencias separadas por varios Hz, que se observan más fácilmente en una resonancia fundamental de aproximadamente 2 kHz. "De hecho, parece que es posible una resolución mejorada debido a los largos tiempos de relajación de espín y la alta homogeneidad de campo que prevalecen en EFNMR". ^[32]
• Los desplazamientos químicos de varias ppm están claramente separados en los espectros de RMN de campo alto, pero tienen separaciones de solo unos pocos milihercios en las frecuencias EFNMR de protones, por lo que generalmente no se resuelven.

RMN de campo cero

En la RMN de campo cero, todos los campos magnéticos están protegidos de modo que se alcanzan campos magnéticos inferiores a 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 desplazamientos 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 (normalmente entre 0 y 1000 Hz), se utilizan esquemas de detección alternativos. En concreto, los magnetómetros sensibles resultan ser buenos detectores para la 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.

Computación cuántica

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.

Magnetómetros

Varios magnetómetros utilizan los efectos de RMN para medir campos magnéticos, incluidos los magnetómetros de precesión de protones (PPM) (también conocidos como magnetómetros de protones ) y los magnetómetros Overhauser .

RMN

La resonancia magnética de superficie (o sondeo por resonancia magnética) se basa en el principio de la resonancia magnética nuclear (RMN) y las mediciones se pueden utilizar para estimar indirectamente el contenido de agua de las zonas saturadas e insaturadas del subsuelo de la Tierra. ^[33] La RMN se utiliza para estimar las propiedades del acuífero, incluida la cantidad de agua contenida en el acuífero , la porosidad y la conductividad hidráulica .

Fabricantes de equipos de RMN

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. ).

Véase también

• Espectómetro de RMN de sobremesa
• Ecuación de Larmor (No debe confundirse con la fórmula de Larmor ).
• Análisis espectral de mínimos cuadrados
• Nitrógeno líquido
• Cristalografía de RMN
• Base de datos de espectros de RMN
• Resonancia magnética nuclear en medios porosos
• Resonancia nuclear cuadrupolo (NQR)
• Dinámica de proteínas
• Ciclo de Rabi
• Relaxometría
• Eco de giro
• Tarea basada en estructura

Referencias

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Lectura adicional

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• GM Clore ; AM Gronenborn (1991). "Estructuras de proteínas más grandes en solución: espectroscopia de RMN heteronuclear tridimensional y cuatridimensional". Science . 252 (5011): 1390–1399. Bibcode :1991Sci...252.1390M. doi :10.1126/science.2047852. OSTI  83376. PMID  2047852.
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• Las conferencias de física de Feynman, vol. II, cap. 35: Paramagnetismo y resonancia magnética
• David M. Grant; Robin Kingsley Harris (2002). "Avances en RMN". Enciclopedia de resonancia magnética nuclear . John Wiley. ISBN 9780471490821.
• RL Haner; PA Keifer (2009). "Sondas de flujo para espectroscopia de RMN". Enciclopedia de resonancia magnética . John Wiley. doi :10.1002/9780470034590.emrstm1085. ISBN . 978-0470034590.
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• JAPople ; WGSchneider ; HJBernstein (1959). Resonancia magnética nuclear de alta resolución . McGraw-Hill Book Company.
• John D. Roberts (1959). Resonancia magnética nuclear: aplicaciones a la química orgánica. McGraw-Hill Book Company. ISBN 9781258811662.
• Charles P. Slichter (1963). Principios de resonancia magnética: con ejemplos de la física del estado sólido . Harper & Row. ISBN 9783540084761.
• JM Tyszka; SE Fraser; RE Jacobs (2005). "Microscopía de resonancia magnética: avances y aplicaciones recientes". Current Opinion in Biotechnology . 16 (1): 93–99. doi :10.1016/j.copbio.2004.11.004. PMID  15722021.
• Kurt Wüthrich (1986). RMN de proteínas y ácidos nucleicos . Nueva York (NY), EE. UU.: Wiley-Interscience . ISBN 978-0-471-11917-3.

Enlaces externos

Tutorial

• Tutorial de RMN/MRI
• Biblioteca de RMN Conceptos de RMN
• Notas del curso de RMN
• Ejercicios de RMN descargables en formato PowerPoint (inglés/alemán) y PDF (solo alemán)

Animaciones y simulaciones

• Una simulación interactiva gratuita de los principios de RMN
• Simulación interactiva sobre la esfera de Bloch

Video

• Introducción a la RMN y la RMN
• Richard Ernst, NL – Desarrollador de técnicas de RMN multidimensionales Vídeo Freeview proporcionado por Vega Science Trust.
• 'Entrevista con Kurt Wuthrich', vídeo de Freeview del Vega Science Trust (Wüthrich recibió el Premio Nobel de Química en 2002 "por su desarrollo de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear para determinar la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas en solución").
• El Premio Nobel - Documental sobre Richard R. Ernst de Lukas Schwarzenbacher y Susanne Schmid (en alemán suizo con subtítulos en inglés)

Otro

• Qian, C.; Pines, A.; Martin, RW (septiembre de 2007). "Giro en ángulo mágico". Revista de resonancia magnética . 188 (1): 183–189. Código Bibliográfico :2007JMagR.188..183Q. doi :10.1016/j.jmr.2007.06.006. PMID  17638585.
• La resonancia magnética nuclear en el punto de mira: una técnica atemporal