Resonancia Magnética Nuclear

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
1. Introducción:
Las técnicas de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) son un instrumento indispensable
para la química así como para otras ramas de la Ciencia. Con la espectroscopia de RMN se
pueden identificar moléculas, determinar su estructura o estudiar procesos dinámicos. [1]
En 1951, los químicos descubrieron que la espectroscopia de resonancia magnética nuclear
podía ser utilizada para determinar las estructuras de los compuestos orgánicos. Esta
técnica espectroscópica puede utilizarse sólo para estudiar núcleos atómicos con un número
impar de protones o neutrones (o de ambos). Esta situación se da en los átomos de 1H, 13C,
19
F y 31P. Este tipo de núcleos son magnéticamente activos, es decir poseen espín, igual que
los electrones, ya que los núcleos poseen carga positiva y poseen un movimiento de
rotación sobre un eje que hace que se comporten como si fueran pequeños imanes. [3]
2. Fundamentos:
La Resonancia Magnética Nuclear o RMN es un fenómeno físico que se basa en las
propiedades magnéticas que poseen algunos núcleos atómicos para extraer información
estructural de la muestra que se está analizando.
La RMN tiene sentido gracias a que existen ciertos tipos de núcleos, capaces de orientarse
según un campo magnético estático, y que describen un movimiento de precesión, a una
frecuencia proporcional a dicho campo magnético, llamada frecuencia de Larmor. Si se
emite sobre estos núcleos una onda electromagnética a la misma frecuencia a la que
precesan, son capaces de captar energía, y devolverla cuando cesa la onda. Las propiedades
de la energía devuelta aportan información del entorno molecular de los núcleos. [2]
2.1. Propiedades magnéticas de los núcleos. Efecto del campo magnético
Todos los núcleos que tienen un número impar de neutrones y/o de protones, poseen una
propiedad llamada espín que provoca que éstos giren sobre sí mismos. Este movimiento de
rotación crea un campo eléctrico que a su vez crea un momento magnético, y los hace
susceptibles a la Resonancia Magnética.
Los momentos magnéticos que crean los núcleos con espín pueden verse como pequeños
dipolos que, en condiciones normales (sin aplicar ningún campo), tienen direcciones
aleatorias.
Si se aplica externamente un campo magnético estático lo suficientemente potente, los
dipolos se alinean en la dirección del campo, pero el sentido queda determinado por el
sentido de giro del núcleo, dando lugar a dos posibles configuraciones diferentes:


Estado de alta energía (α-espín): Los vectores del campo y del dipolo son
antiparalelos.
Estado de baja energía (β-espín): Los vectores del campo y del dipolo son paralelos.
[2]
Imagen 1. Estados de energía alta y baja (spin) [1
]
Una vez se han situado los núcleos bajo el efecto del campo, se puede hacer que un dipolo
pase de estado de baja energía a estado de alta energía aportándole la energía que le falta. Y
a la inversa, cuando un dipolo pasa del estado de alta energía al estado de baja energía,
devuelve la energía sobrante.
Cuando una muestra que contiene un compuesto orgánico es irradiada brevemente por un
pulso intenso de radiación, los núcleos en el estado de espín α son promovidos al estado de
espín β. Esta radiación se encuentra en la región de las radiofrecuencias (rf) del espectro
electromagnético. Cuando los núcleos vuelven a su estado inicial emiten señales cuya
frecuencia depende de la diferencia de energía (∆E) entre los estados de espín α y β. El
espectrómetro de RMN detecta estas señales y las registra como una gráfica de frecuencias
frente a intensidad, que es el llamado espectro de RMN. El término resonancia magnética
nuclear procede del hecho de que los núcleos están en resonancia con la radiofrecuencia o
la radiación rf. Es decir, los núcleos pasan de un estado de espín a otro como respuesta a la
radiación rf a la que son sometidos.
La dependencia entre la frecuencia de la señal y la fuerza del campo magnético H 0 (medida
en Teslas, T) está dada por:
El valor del radio giromagnético depende del tipo de núcleo que se está irradiando; en el
caso del 1H es de 2.675 x 108T-1 s-1. Si espectrómetro de RMN posee un imán potente, éste
debe trabajar a una mayor frecuencia puesto que el campo magnético es proporcional a
dicha frecuencia. Así por ejemplo, un campo magnético de 14.092 T requiere una
frecuencia de trabajo de 600 MHz.
3. Reseña histórica:
En 1946 Félix Bloch, en Stanford, y Edward Purcell, en Harvard, trabajando de forma
independiente, observaron que los núcleos atómicos que poseen una propiedad llamada
espín, cuando están inmersos en un campo magnético estático, son capaces de absorber la
energía que les aporta un segundo campo magnético oscilante, y devolverla después en
forma de onda de radiofrecuencia que puede ser captada por un receptor de radio. Habían
descubierto la Resonancia Magnética Nuclear, o en su forma abreviada RMN, lo que les
valió el Premio Nobel de física en 1952. [2]
4. Instrumentación:
4.1.Funcionamiento:
Para emplear el espectrómetro es preciso llevar a cabo una calibración,
emplazando la muestra que se quiere analizar dentro de la sonda. De esta
calibración se extraen dos parámetros importantes:

La frecuencia central del pulso de RF (frecuencia de Larmor) que es
proporcional al campo que crean los imanes, cuya intensidad puede variar
ligeramente por temperatura, deriva temporal de los imanes, entre otras.

La correspondencia entre el ángulo de rotación del vector de magnetización
total y la duración del pulso de RF, en la que intervienen factores como la
intensidad exacta del campo de RF que radia la bobina transmisora. A
continuación, desde la estación de trabajo el usuario define la secuencia de
pulsos para un tipo de experimento concreto. Esta información se envía al
sistema de control, que se encarga de la sincronización de todo el sistema, y
trabaja ininterrumpidamente durante el tiempo que dura el experimento, dando
las órdenes pertinentes a los distintos componentes electrónicos y recogiendo
los datos obtenidos.
Cuando efectivamente empieza el experimento, en primer lugar, el sistema de
control configura las fuentes de RF con los valores adecuados de frecuencia y fase
a través de las líneas de control.
Inmediatamente comienza la excitación del sistema. La secuencia de pulsos de
excitación es generada por el sistema de control, que actúa sobre la línea de
habilitación de la fuente de RF del transmisor. Dado que los pulsos tienen una
duración del orden de nanosegundos, el sistema de control ha de trabajar a altas
velocidades. A través del amplificador del transmisor, los pulsos de RF llegan a la
bobina transmisora de la sonda, de manera que estos afectan a la muestra.
En el camino de vuelta, la señal es recogida por la bobina receptora y llega al
receptor, donde la señal se amplifica, se filtra, y se traslada a una frecuencia más
baja. Luego, la señal se digitaliza durante los tiempos de adquisición de la FID,
determinados también por el sistema de control, que actúa sobre la señal de
disparo del CAD (Convertidor analógico-digital). Posteriormente, la información
se almacena en el sistema de control, y una vez ha terminado la secuencia de
pulsos, se promedian cada una de las distintas adquisiciones, y se lleva a cabo el
procesado digital. Por último, la información ya procesada se envía a la estación
de trabajo, donde se presenta por pantalla en forma de espectro de RMN.
4.2. Partes del espectrómetro de Resonancia Magnética Nuclear:
Imagen 2. Partes de un espectrómetro RMN
4.2.1. El imán
Los imanes que se utilizan habitualmente en RMN son imanes superconductores.
Éstos consiguen campos muchísimo más estables que los electroimanes, tanto en
valor absoluto de campo (derivas 1 Hz/hr) como en las variaciones de la
homogeneidad del mismo con el tiempo. En un imán superconductor el campo
magnético se produce con una bobina hecha de material supeconductor que tiene la
propiedad de que tiene una resistencia próxima a cero cuando se encuentra a una
temperatura próxima al cero absoluto (-273.15 ºC o 0 K). [4]
4.2.2. Los canales de radiofrecuencia
Estos sirven para elevar las salidas del transmisor y el desacoplador a los altos
niveles necesarios para los pulsos no-selectivos. Normalmente son necesarios dos
amplificadores, debido a la dificultad técnica para diseñar uno que cubra
satisfactoriamente todo el rango necesario de frecuencias. Uno de ellos (~50 W)
cubre la gama alta de núcleos 1H, 3H y 19F; y otro (~150W) la gama baja, 31P, l3C y
15
N). [4]
4.2.3. La sonda
La sonda contiene la bobina que genera la radiofrecuencia (campo B1). Cuando la
sonda se introduce en el imán, la bobina queda dispuesta en la zona central del imán
donde el campo es más intenso y homogéneo.
Una bobina de RMN está compuesta de un inductor o elementos de inducción, y
una serie de condensadores. La frecuencia de resonancia de una bobina de RF se
determina por la inductancia (L) y la capacitancia (C) del circuito de inducción. [4]
4.2.4. El ordenador de control de adquisición
Los ordenadores actuales de procesado trabajan en régimen multiusuario, tiempo
compartido y pueden no dar prioridad a esta tarea del espectrómetro. Por esta razón
el espectrómetro dispone de un segundo ordenador dedicado exclusivamente a la
tarea específica de adquisición, éste se comunica con el ordenador que opera el
usuario y le trasfiere continuamente la información para su procesado y
almacenamiento.
4.2.5. El sistema de control de temperatura (VT)
La temperatura del tubo que contiene la muestra se controla gracias a una corriente
de aire seco o nitrógeno. Un termopar, introducido en la sonda en una zona muy
próxima al tubo de muestra, permite medir la temperatura de ésta y un circuito
eléctrico de regulación obtiene la temperatura deseada por calentamiento con una
resistencia eléctrica. Para hacer un experimento bidimensional debe ser posible
estabilizar la temperatura con variaciones menores de 0.1 ºC
4.2.6. Los gradientes de campo magnético
Los gradientes de campo se generan con bobinas adicionales incluidas dentro de la
sonda. Para generar un gradiente se requieren dos bobinas dispuestas en posiciones
paralelas. Con cada par de bobinas se puede generar un gradiente en una
determinada dirección del espacio, la más habitual es la dirección Z paralela al
campo magnético principal Bo.
4.2.7. Sistema de lock: compensación de fluctuaciones de campo (drift)
Para conseguir espectros de RMN de alta resolución se necesita un campo
magnético constante en el tiempo y espacialmente homogeneo. El sistema de lock
sirve para asegurar la consistencia en el campo magnético Bo en el tiempo. Las
pequeñas fluctuaciones de campo denominadas drift son compensadas durante un
experimento de RMN por el sistema de lock.
El lock es como un espectrómetro independiente dentro del propio espectrómetro.
Normalmente este espectrómetro está sintonizado a la frecuencia de resonancia del
deuterio La señal de deuterio está monitorizándose contantemente, las fluctuaciones
en su posición de resonancia permiten conocer cuánto ha fluctuado el campo
magnético Bo en cada momento y permite re-calibrar en tiempo real la frecuencia de
resonancia exacta del espectrómetro para los demás núcleos. La señal de deuterio
normalmente proviene del disolvente deuterado que se añade a la muestra.
5. Procesamiento de Datos:
Un dispositivo conocido como conversor analógico digital, CAD, se usa para
convertir la señal de resonancia magnética nuclear de voltaje a números binarios
que se almacenan en la memoria de un computador. El CAD muestrea la señal a
intervalos regulares de forma que la FID se obtiene como un conjunto de puntos de
datos.
Luego, la señal pasa por una serie de modificaciones:
Imagen 3. Procesamiento de señales RMN
Transformada de Fourier (b) de una señal continua en el dominio del tiempo (a) y de
una señal muestreada (e). La señal muestreada es el resultado de multiplicar la señal
continua por el tren de funciones de Dirac con la frecuencia fS (c). El espectro (f) de
la señal muestreada es el resultado de la operación de convolución entre el espectro
de la señal continua (b) y la transformada de Fourier del tren de pulsos (d). La
recuperación de la señal continua (a) a partir del espectro de los datos muestreados
(f) mediante una operación de filtrado “pasa baja” con un frecuencia de corte B. [5]
6. Aplicaciones:
La espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear tiene amplias aplicaciones,
entre las cuales se pueden resaltar:






Análisis Estructural y Estereoquímico para la caracterización de compuestos
químicos con núcleos activos.
Identificación y cuantificación de compuestos orgánicos, organometálicos, etc.
Control de impurezas.
Estudios de sistemas dinámicos y parámetros físicos moleculares.
Control de calidad en alimentos.
Diagnóstico y pronóstico molecular en clínica. Determinación de perfiles
metabólicos en biopsias y/o biofluidos.
Además, la RMN en estado sólido permite otras aplicaciones como:



Determinación de la estructura molecular en sólidos amorfos
desordenados que no forman cristales adecuados para su estudio por
rayos X
Determinar la composición química y la presencia de ciertos grupos
funcionales.
Determinar la composición del material orgánico e inorgánico de suelos
y muestras heterogéneas en general y poder cuantificar por RMN de
sólidos la proporción relativa de ciertos componentes. [6]
7. Bibliografía:
[1] QUÍMICA FÍSICA III. Tema 1. RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR.
Departamento de
Química Física. Universidad de Valencia.
[Rev. 14 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<http://www.uv.es/tunon/QFIII/tema_1.pdf>
[2] PÉREZ MÉNDEZ Lorena. Espectrómetro de Resonancia Magnética Nuclear.
Descripción general y diseño del receptor.
[Rev. 14 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/8393/1/Espectr%C3%B3metro%20de%2
0RMN.pdf>
[3] TEMA 10.
ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR. Universitat de
València.
[Rev. 14 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<http://www.uv.es/jcastell/Espectroscopia.pdf>
[4] Sección RMN. Unidade de Resonancia Magnética. Universidade de Santiago de
Compostela
[Rev. 14 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<http://desoft03.usc.es/rmnweb/rmnespect.html#spect3 >
[5] Procesamiento de las señales en RMN. Estructura de Macromoléculas. Dr. O. López
Mayorga, Departamento de Química Fisica. UGR.
[Rev. 15 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<http://www.ugr.es/~olopez/estruct_macromol/RMN/RMN_13.pdf >
[6] Áreas de Investigación. Vicerectorado de Investigación. Universidad de Sevilla.
[Rev. 15 de noviembre de 2014]
Disponible en:
<https://investigacion.us.es/scisi/sgi/servicios/rmn/areas-aplicacion >