Ressonància magnètica nuclear: diferència entre les revisions

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 en l'ús civil.

 

Tots els [[nucleons]], és a dir, els [[neutrons]] i [[protons]] que formen els [[nuclis atòmics]], tenen una propietat [[mecànica quàntica|quàntica]] intrínseca anomenada ''[[espín]]''. L'espín total del nucli ve donat pel [[nombre quàntic d'espín]] ''S''. Si el nombre total tant de protons com de neutrons en un [[nucleid|núclid]] 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.

 

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, anàlisi, 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 espectre RMN d'absorció. En canvi, la ressonància d'espín d'electró té molta més sensitivitat que l'RMN.

 

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 l'orientació del moment angular és quantitzada. El nombre quàntic associat amb aquesta última és conegut com a [[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.

 

:<math> \mu_\mathrm{z} = \gamma S_\mathrm{z} = \gamma m\hbar.</math>

 

[[Fitxer:NMR splitting.gif|miniatura|Divisió dels estats d'espín nuclears en un camp magnètic extern]]

[[Fitxer:NMR EPR.gif|miniatura|Un model intuïtiu. Els nuclis es comporten com si tinguessin [[moment magnètic|moments magnètics]] propis. Si estan sols, no hi ha cap diferència energètica que 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]]

i aquesta diferència porta a un petit biaix de la població de nuclis cap a l'estat d'energia menor.

 

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''ν₀}}, en què ν₀ és la radiofreqüència ressonant (la radiofreqüència que és igual a la freqüència de precessió de Larmor ν_L dels nuclis en el camp magnètic '''B'''₀). Per tant, una absorció ressonant magnètica ocorre quan {{nowrap|Δ''E'' {{=}} ''h''ν₀}}, que és quan {{nowrap| ν₀ {{=}} γ''B''₀/(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 l'RMN es detecta aquesta absorció magnètica ressonant.

 

Podria semblar a partir de la discussió anterior que tots els nuclis del mateix núclid (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 giren 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).