Diferència entre revisions de la pàgina «Ressonància magnètica nuclear»

cap resum d'edició
m (Robot: Reemplaçament automàtic de text (-[[Imatge: +[[Fitxer:, -[[Image: +[[Fitxer:, -[[File: +[[Fitxer:))
[[Fitxer:NMR-Spectrometer.JPG|thumb|Un [[espectròmetre]] de ressonància magnètica nuclear.]]
La '''ressonància magnètica nuclear''' ('''RMN''', o en [[anglès]] ''NMR'', de ''Nuclear Magnetic Resonance'') és un fenomen físic descrit originalment el [[1946]] per [[Felix Bloch]] i [[Edward Mills Purcell]], que van guanyar el [[Premi Nobel de Física]] per aquest descobriment el [[1952]]. La L'RMN s'utilitza rutinàriament en tècniques avançades d'imatges mèdiques, com en la [[Imatge per Ressonància Magnètica|imatge per ressonància magnètica]].
 
La L'RMN es basa en la interacció entre:
# [[nucli atòmic|Nuclis atòmics]] sota la influència d'un [[camp magnètic]] extern i,
# Un [[camp electromagnètic]] d'una [[freqüència]] determinada.
 
La mesura de la [[radiació]] absorbida i emesa pels nuclis atòmics dóna informació valuosa sobre les seves propietats [[magnetisme|magnètiques]]. La L'RMN es pot utilitzar només amb nuclis amb [[moment magnètic]] diferent de zero. Això vol dir àtoms amb un nombre senar de protons i neutrons, com ara <sup>1</sup>[[hidrogen|H]], <sup>2</sup>[[deuteri|H]], <sup>13</sup>[[carboni|C]], <sup>15</sup>[[nitrogen|N]], <sup>31</sup>[[fòsfor|P]], <sup>19</sup>[[fluor|F]]. El moment magnètic d'aquests àtoms està quantitzat i pot prendre una sèrie de valors determinats. El camp magnètic extern fa que hi hagi petites diferències energètiques entre aquests estats. Si el camp electromagnètic té la freqüència adequada, un nucli pot absorbir un [[fotó]] i passar a un estat d'energia més elevat; quan aquest nucli es relaxa, també emet un fotó.
 
La L'RMN s'utilitza com a eina [[espectroscòpia|espectroscòpica]] per a obtenir dades físiques i químiques de compostos químics. En la pràctica, la RMN sobre àtoms d'hidrogen o de carboni és la que té més rellevància, ja que aquests àtoms es troben presents en la majoria de molècules, si més no en les [[matèria orgànica|orgàniques]] (tot i que el <sup>13</sup>C no és l'[[isòtop]] més abundant, sol haver-n'hi una proporció prou elevada en qualsevol mostra). El principi bàsic és que, si bé les propietats magnètiques de cada àtom depenen principalment de la composició del seu nucli (nombre de protons i de neutrons), l'ambient al voltant d'aquest àtom també hi té un efecte (apantallament electrònic i acoblament de spind'espín). Això fa possible que cada àtom (o grup d'àtoms equivalents) en una molècula doni un senyal diferent en l'espectre RMN.
 
==Història ==
 
La ressonància magnètica nuclear va ser descrita i mesurada per primera vegada aen rajos moleculars per [[Isidor Rabi]] l'any 1938,<ref>
{{ref-publicació|autor= Rabi, I.I.; Zacharias, J.R.; Millman, S. and Kusch, P.
|títol= A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment
|exemplar= 4
|bibcode = 1938PhRv...53..318R
|pàgines= 318–327 }}</ref> fent una extensió de l'[[experiment de Stern-Gerlach]], i l'any 1944 Rabi va rebre el [[Premi Nobel de física]] per aquesta recerca.<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1944/rabi-bio.html Biography of I. Rabi at Nobelprize.org]</ref> L'any 1946, [[Felix Bloch]] i [[Edward Mills Purcell]] varen expandir la tècnica a liquidslíquids i sòlids, treball pel qual varen rebre conjuntament el [[Premi Nobel de física]] l'any 1952.<ref name=Filler2009b>{{ref-publicació|doi=10.1038/npre.2009.3267.5|títol=The History, Development and Impact of Computed Imaging in Neurological Diagnosis and Neurosurgery: CT, MRI, and DTI|any=2009|autor=Filler, Aaron|publicació=Nature Precedings}}</ref><ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1952/ 1952 Nobel Prize for Physics at Nobelprize.org]</ref>
 
Purcell havia treballat en el desenvolupament del [[radar]] durant la [[Segona Guerra Mundial|Segona Guerra mundial]] al laboratori de radiació del [[Massachusetts Institute of Technology]]. La seva recerca durant aquest projecte sobre la producció i la detecció d'ones de [[ràdio freqüència]] (RF) i en l'absorció d'aquestes ones per la matèria varen ser el fonament del descobriment de la RMN per Rabi.
 
Rabi, Bloch, i Purcell varen observar que els nuclis atòmics magnètics, com <sup>1</sup>[[hidrogen|H]] i <sup>31</sup>[[fòsfor|P]], podien absorbir energia en RF quan es posaven dins un camp magnètic i quan la RF era d'una freqüència específica per a cada tipus de nucli. Quan aquesta absorció ocorre, es diu que el nucli està en ''ressonància''. Nuclis atòmics diferents dins una molècula ressonen a (radioràdio) freqüències diferents per la mateixa intensitat de camp magnètic. L'observació d'aquestes freqüències ressonants magnètiques dels nuclis presents a la molècula dóna informació sobre la química i l'estructura de la molècula.
 
El desenvolupament de la RMN com a tècnica de la [[química analítica]] i la [[bioquímica]] és semblant al desenvolupament de la tecnologia electromagnètica i [[electrònica]] avançada i la seva introducció aen l'ús civil.
 
==Teoria de la ressonància magnètica nuclear==
===Espín nuclear i magnetisme===
 
Tots els [[nucleons]], és a dir, els [[neutrons]] i [[protons]] que formen els [[nuclis atòmics]], tenen una propietat [[mecànica quàntica|quàntica]] intrínseca anomenada [[espín|''espín'']]. L'espín total del nucli ve donat pel [[nombre quàntic d'espín]] ''S''. Si el nombre total tant de protons com de neutrons aen un [[nucleid]] és parell, aleshores {{nowrap|''S'' {{=}} 0}}, que vol dir que el nucli no té espín. El que passa en aquests casos és que els protons i els neutrons (que són partícules amb espín-{{frac|1|2}} i, per tant, [[fermions]]) es poden aparellar exactament, igual que quan els electrons s'aparellen als [[orbital atòmic|orbitals atòmics]] donant un espín total de zero.
 
A diferència dels electrons, l'energia d'un protó i un neutró és menor quan els seus espins són paral·lels, '''no anti-paralantiparal·lels''', ja que aquesta configuració paral·lela no infringeix el [[principi d'exclusió de Pauli]], perquè aquests dos nucleons tenen una subestructura, els [[quark|quarks]]. Per tant, l'estat fonamental d'espín pel deuteró (el nucli de [[deuteri]], l'isòtop <sup>2</sup>H de l'hidrògen) —que només té un protó i un neutró—téneutró— té un espín total de d''''1''', ''no de zero''. Això implica que un deuteró aïllat exhibeix un espectre de d'RMN d'absorció característic d'un nucli quadrupolar d'espín '''1''', que en l'estat "rígid", a temperatures molt baixes, és el típic ''doblet'' (no un singlet com <sup>1</sup>H aïllat o qualsevol altre fermió aïllat o nucli dipolar d'espín {{frac|1|2}}). Per altra banda, deguta alcausa del principi d'exclusió de Pauli, l'isòtop [[triti]] de l'hidrògenhidrogen ha de tenir un parell d'espins antiparal·lels de neutrons (d'espín total zero), a més d'un protó d'espín 1/2. Per tant, el caràcter del nucli de triti és magnètic dipolar, ''no quadrupolar'' —com el del deuteró—ideuteró— i l'espinespín total del nucli de triti és 1/2, com el de l'isòtop més abundant de l'hidrògenhidrogen, el nucli <sup>1</sup>H (el [[protó]]). L'absorció RMN de radio freqüènciaradiofreqüència del triti isés una mica més gran que la del <sup>1</sup>H perquè el nucli de triti té una [[fracció giromagnètica]] una mica més gran que <sup>1</sup>H. En molts altres casos de nuclis ''no radiactius'', l'espinespín total tampoc és zero. Per exemple, el nucli <sup>27</sup>Al té un espín total de {{nowrap|''S'' {{=}} {{frac|5|2}}}}.
 
Un espín no zero sempre s'associa amb un [[moment magnètic]] (''μ'') no zero mitjançant la relació {{nowrap|''μ'' {{=}} ''γS''}}, onen què ''γ'' és la [[fracció giromagnètica]]. És aquest moment magnètic que permet l'observació de l'espectre RMN d'absorció causat per la transició entre nivells d'espín nuclear. La majoria de nucleids (amb algunes poques excepcions) que tenen un nombre parell de protons i un nombre parell de neutrons tenen un moment magnètic nuclear zero, i també tenen moments magnètics dipolars i quadrupolars zero. Per tant, aquests nucleids no exhibeixen un espectre RMN d'absorció. <sup>18</sup>O és un exemple d'un nucleid que no presenta absorció RNM, mentresmentre que <sup>13</sup>C, <sup>31</sup>P, <sup>35</sup>Cl i <sup>37</sup>Cl són nucleids que exhibeixen un espectre RMN d'absorció. Els dos últims nuclis són quadrupolars, mentresmentre que els dos anteriors <sup>13</sup>C i <sup>31</sup>P són dipolars.
 
La [[ressonància paramagnètica electrònica|ressonància d'espín d'electró]] és una tècnica relacionada en la qual es detecten les transicions entre els nivells d'espín dels electrons (en lloc dels nuclis). Els principis bàsics són semblants, però la instrumentació, anàlisisanàlisi, i els detalls de la teoria són diferents. A més, hi ha un nombre menor de molècules i materials amb espins d'electrons no aparellats que exhibeixin ressonància d'espín d'electró comparat amb els que exhibeixen espectraespectre RMN d'absorció. En canvi, la ressonància d'espín d'electró té molta més sensitivitat que la l'RMN.
 
===Valor del moment angular d'espín===
 
El [[moment angular]] associat amb l'espín nuclear és quantitzat. Això significa que tant la magnitud del moment angular és quantitzada (és a dir, ''S'' només pot ser un rang restringit de valors), com també la l'orientació del moment angular és quantitzada. El nombre quàntic associat amb aquesta última és conegut com a el [[nombre quàntic magnètic|''nombre'' ''quàntic magnètic'']], ''m'', i pot tenir qualsevol valor de +''S'' fins a −''S'', en passes enteres. Per tant, per a un nucli donat, hi ha un total de {{nowrap|2''S'' + 1}} estats de moment angular.
 
El component z del vector de moment angular ('''S''') és, per tant, {{nowrap|S<sub>z</sub> {{=}} ''mħ''}}, onen què ''ħ'' és la [[constant de Planck]] reduïda. El component z del moment magnètic és:
:<math> \mu_\mathrm{z} = \gamma S_\mathrm{z} = \gamma m\hbar.</math>
 
====Comportament de l'espín en un camp magnètic====
[[Fitxer:NMR splitting.gif|thumb|right|300 px||Divisió dels estats d'espín nuclears en un camp magnètic extern]]
[[Fitxer:NMR EPR.gif|thumb|right|300 px||Un model intuitiuintuïtiu. Els nuclis es comporten com si tenguessintinguessin [[moment magnètic|moments magnètics]] propis. Si estan sols, no hi ha cap diferència energètica afavorintque afavoreixi una direcció concreta (només un estat energètic, a l'esquerra), però dins un camp magnètic extern hi ha un estat d'energia alta i un estat d'energia baixa en funció de l'orientació relativa de l'imant i del camp magnètic extern, i aleshores la direcció del moment magnètic segueix un moviment de [[precessió]] relatiu al camp magnètic extern. El camp magnètic extern pot ser causat per un imant o per altres nuclis pròxims.]]
 
Considerem nuclis amb espín 1/2, com <sup>1</sup>H, <sup>13</sup>C o <sup>19</sup>F. El nucli té dos possibles estats d'espín: ''m'' = {{frac|1|2}} o ''m'' = −{{frac|1|2}} (també anomenats ''espín-up a'' i ''espín-down d'', o algunes vegades α i β, respectivament). Aquests estats són degenerats, que vol dir que tenen la mateixa energia. Per tant, el nombre d'àtoms en un o altre estat serà aproximadament igual quan hi hagi [[equilibri tèrmic]].
 
Si un nucli es posa dins uns camp magnètic, aleshores la interacció entre el moment magnètic nuclear i aquest camp fa que els dos estats ja no tenguintinguin la mateixa energia. L'energia d'un moment magnètic '''μ''' dins un camp magnètic '''B'''<sub>0</sub> és:
:<math> E = -\boldsymbol{\mu} \cdot \mathbf{B}_0 = -\mu_\mathrm{x} B_{0x}-\mu_\mathrm{y} B_{0y}-\mu_\mathrm{z} B_{0z} .</math>
 
Normalment, l'eix ''z'' es tria al llarg de '''B'''<sub>0</sub>, i l'expressió de dalt es converteix en:
:<math> E = -\mu_\mathrm{z} B_0 \ ,</math>
o:
:<math> E = -\gamma m\hbar B_0 \ .</math>
 
D'això resulta que els diferents estats d'espín nuclear tenen diferents energies dins un camp magnètic. En llenguatge menys formal, podem parlar dels dos estats possibles d'un espín 1/2 com a ''alineat'' a favor o en contra del camp magnètic. Si γ és positiu (ho és per a la majoria d'isòtops), aleshores {{nowrap|''m'' {{=}} {{frac|1|2}}}} és l'estat d'energia amb menor energia.
 
La diferència d'energia entre els dos estats és:
 
====La ressonància magnètica dels nuclis====
L'absorció ressonant dels espins nuclears ocorre només quan la [[radiació electromagnètica]] de la freqüència adequada (per exemple, igual a la freqüència de la [[precessió de Larmor]]) s'aplica per igualar la diferència energètica entre els nivells de l'espín nuclear en un camp magnètic constant de la magnitud adequada. L'energia d'un [[fotó]] absorbit és {{nowrap|''E'' {{=}}
''h''ν<sub>0</sub>}}, onen què ν<sub>0</sub> és la radio freqüènciaradiofreqüència ressonant (la radio freqüènciaradiofreqüència que és igual a la freqüència de precessió de Larmor ν<sub>L</sub> dels nuclis en el camp magnètic '''B'''<sub>0</sub>). Per tant, una absorció ressonant magnètica ocorre quan {{nowrap|Δ''E'' {{=}} ''h''ν<sub>0</sub>}}, que és quan {{nowrap| ν<sub>0</sub> {{=}} γ''B''<sub>0</sub>/(2π)}}. Aquestes freqüències ressonants corresponen típicament a la part de [[radio freqüència|radiofreqüència]] de l'[[espectre electromagnètic]] per a camps magnètics de fins a uns 20&nbsp;T. A la l'RMN es detecta aquesta absorció magnètica ressonant.
 
====Apantallament nuclear====
 
Podria semblar a partir de la discussió anterior que tots els nuclis del mateix nucleid (i, per tant, amb el mateix ''γ'') haurien de ressonar a la mateixa freqüència, però no és així. La pertorbació més important de la freqüència RMN és l'efecte d'''apantallament'' dels electrons pròxims al nucli.<ref>[http://nmrcentral.com/2011/08/principle-of-shielding-and-deshielding/ Principle of Shielding and Deshielding | NMRCentral.com]</ref> Els electrons, igual que els nuclis, tenen càrrega elèctrica i roten per produir un camp magnètic oposat al camp magnètic creat pels nuclis. En general, aquest apantallament redueix el camp magnètic ''al nucli'' (que és el que determina la freqüència RMN).
 
Com a conseqüència d'això, la separació dels nivells energètics es redueix, i la freqüència necessària per a arribar a la ressonància també es redueix. Aquesta variació en la freqüència RMN deguda als orbitals electrònics moleculars s'anomena [[desplaçament químic|''desplaçament químic'']], i explica per què la l'RMN és útil per a investigar l'estructura química de les molècules, que depèn de la distribució dels electrons en els orbitals moleculars. Si un nucli en un grup químic concret sofreix un major apantallament a causa d'una major densitat electrònica al seu voltant, aleshores la seva freqüència RMN es desplaçarà "cap al camp" (és a dir, un desplaçament químic menor), mentresmentre que si hi ha menys densitat electrònica i, per tant, menys apantallament, la seva freqüència RMN es desplaçarà "contra el camp" (és a dir, un desplaçament químic major).
 
Si la simetria local d'aquests orbitals moleculars no és moltgaire gran (que portaria a un desplaçament "isotropicisotròpic"), aleshores l'apantallament depèn de l'orientació de la molècula respecte al camp magnètic extern ('''B'''<sub>0</sub>). AEn l'espectroscòpia [[RMN de l'estat sòlid]], la [[rotació de l'angle màgic]] és necessària per a fer la mitjamitjana entre les diferents orientacions. Això no és necessari aen les investigacions convencionals de RMN de molècules, ja que el ràpid moviment molecular ja elimina la dependència en l'orientació ([[anisotropia del desplaçament químic]]). En aquest cas, s'usa el terme ''desplaçament químic mitjà''.
 
==Articles relacionats==
* [[Imatgeria per ressonància magnètica]].
* [[Espectroscòpia d'espín de muó]].
* [[Ressonància paramagnètica electrònica]].
 
== Referències ==
19.706

modificacions