Ressonància magnètica nuclear: diferència entre les revisions

m
Tipografia
m (Tipografia)
m (Tipografia)
 
# Un [[camp electromagnètic]] d'una [[freqüència]] determinada.
 
La mesura de la [[radiació]] absorbida i emesa pels nuclis atòmics dona informació valuosa sobre les seves propietats [[magnetisme|magnètiques]]. 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>¹[[hidrogen|H]], <sup>3</sup>[[triti|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.
 
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 d'espín). Això fa possible que cada àtom (o grup d'àtoms equivalents) en una molècula doni un senyal diferent en l'espectre RMN.
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>¹[[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 (ràdio) freqüències diferents per la mateixa intensitat de camp magnètic. L'observació d'aquestes freqüències ressonants magnètiques dels nuclis presents a la molècula dona 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 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.
 
A diferència dels electrons, l'energia d'un protó i un neutró és menor quan els seus espins són paral·lels, '''no antiparal·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 ²H de l'hidrogen) —que només té un protó i un neutró— té un espín total d''''1''', ''no de zero''. Això implica que un deuteró aïllat exhibeix un espectre d'RMN d'absorció característic d'un nucli quadrupolar d'espín '''1''', que en l'estat "rígid", a temperatures molt baixes, és el típic ''[[Estat doblet|doblet]]'' (no un singlet com <sup>1</sup>¹H aïllat o qualsevol altre fermió aïllat o nucli dipolar d'espín {{frac|1|2}}). Per altra banda, a causa del principi d'exclusió de Pauli, l'isòtop [[triti]] de l'hidrogen 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— i l'espín total del nucli de triti és 1/2, com el de l'isòtop més abundant de l'hidrogen, el nucli <sup>1</sup>¹H (el [[protó]]). L'absorció RMN de radiofreqüència del triti és una mica més gran que la del <sup>1</sup>¹H perquè el nucli de triti té una [[fracció giromagnètica]] una mica més gran que <sup>1</sup>¹H. En molts altres casos de nuclis ''no radioactius'', l'espín 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''}}, en 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 núclids (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 núclids no exhibeixen un espectre RMN d'absorció. <sup>18</sup>O és un exemple d'un núclid que no presenta absorció RNM, mentre que <sup>13</sup>C, <sup>31</sup>P, <sup>35</sup>Cl i <sup>37</sup>Cl són núclids que exhibeixen un espectre RMN d'absorció. Els dos últims nuclis són quadrupolars, mentre que els dos anteriors <sup>13</sup>C i <sup>31</sup>P són dipolars.
[[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]]
 
Considerem nuclis amb espín 1/2, com <sup>1</sup>¹H, <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 a'' i ''espín 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 tinguin la mateixa energia. L'energia d'un moment magnètic '''μ''' dins un camp magnètic '''B'''<sub>0</sub> és:
2.794.153

modificacions