Espectroscopía de resonància magnètica nuclear
La espectroscopía de resonància magnètica nuclear (RMN) és una tècnica empleada principalment en la elucidación d'estructures moleculars, encara que també es pot amprar en fins quantitatius i en estudis cinètics i termodinàmics.
Alguns núcleus atòmics somesos a un camp magnètic extern absorbixen radiació electromagnètica en la regió de les freqüències de radi o radiofrecuencias. Com la freqüència exacta d'esta absorció depén de l'entorn d'estos núcleus, es pot amprar per a determinar l'estructura de la molècula en a on es troben estos.
Per a que es puga amprar la tècnica els núcleus deuen tindre un moment magnètic distint de zero. Esta condició no la complixen els núcleus en número másico i número atómico parell (com el 12C, 16O, 32S). Els núcleus més importants en química orgànica són: 1H, 13C, 31P, 19F i 15N. Atres núcleus importants: 7Li, 11B, 27Al, 29Si, 77Es, 99Tc, 117Sn, 195Pt, 199Hg, 203Tl, 205Tl, 207Pb
Es preferixen els núcleus de número quàntic d'espin nuclear igual a 1/2, ya que carixen d'un moment cuadrupolar elèctric que produïx una eixamplada de les senyals de RMN. També és millor que l'isòtop siga abundant en la naturalea, ya que l'intensitat de la senyal dependrà de la concentració d'eixos núcleus actius. Per això, un dels més útils en la elucidación d'estructures és el 1H, donant lloc a l'espectroscòpia de resonància magnètica nuclear de protón. També és important en química orgànica el 13C, encara que es tracta d'un núcleu poc abundant i poc sensible.
La tècnica s'ha amprat en química orgànica, química inorgànica i bioquímica. La mateixa tecnologia també ha terminat per estendre's a atres camps, per eixemple en medicina, en a on s'obtenen imàgens per resonància magnètica.
Història
[editar | editar còdic]La primera detecció de Resonància Magnètica Nuclear deguda a la formació d'una diferència en les energies de certs núcleus en presència d'un camp magnètic va ser reportada independentment pel grup de Felix Bloch de la Stanford University (per al aigua líquida) i el grup d'Edward Mills Purcell en la Harvard University (per a la cera de parafina) en 1946. Purcell i Bloch varen compartir en 1952 el Premi Nobel de Física per estos descobriments.[1] L'aplicació química de la RMN va ser descoberta a principis dels cinquanta, en observar-se que la freqüència de resonància d'un núcleu depenia fortament del seu entorn químic (chemical shift). A partir dels anys setanta, el desenroll de noves tècniques i majors camps magnètics (que incrementen tant la sensibilitat com la resolució de les senyals) varen permetre estudiar molècules cada volta més grans. El advenimiento de la RMN multidimensional i l'us del marcage 13C i 15N va marcar l'inici de la RMN biològica.
Tipos d'espectroscòpies de RMN
[editar | editar còdic]Espectroscòpia de RMN en ona contínua (CW: Continuous Wave)
[editar | editar còdic]Des dels seus començos fins a finals dels 60, l'espectroscòpia de RMN va utilisar una tècnica coneguda com a espectroscòpia d'ona contínua (CW). La manera de registrar un espectre de RMN en el modo de CW era, be mantindre constant el camp magnètic i anar fent una agranada de freqüències en un camp oscilante, o be, lo que era usat més a sovint, es mantenia constant la freqüència del camp oscilante, i s'anava variant l'intensitat del camp magnètic per a trobar les transicions (picos de l'espectre). En la RMN de CW les senyals de l'espectre es registren com a senyals en resonància.
L'espectroscòpia CW està llimitada per la seua baixa sensibilitat, ya que cada senyal es registra una sola volta per cada agranada i la tècnica de resonància magnètica nuclear ya és de per sí no massa sensible; açò vol dir que la tècnica sofrix d'una baixa relació senyal-soroll. Afortunadament, en RMN és possible millorar la relació senyal-soroll per mig del promediado de senyal. El promediado de senyal consistix en repetir l'adquisició de l'experiment i anar sumant els espectres que s'obtenen. D'esta manera, les zones de l'espectre en que existixen senyals se sumen de manera constructiva, mentres que, per la seua banda, les zones en que hi ha soroll, pel seu caràcter aleatori, s'acumula més llentament que la senyal. Per mig del promediado de senyal s'incrementa la relació senyal-soroll en un valor que és la raïl quadrada del número d'espectres que s'han acumulat. Esta relació es complix en espectres de RMN en els que intervenen un sol tipo de núcleus, per eixemple, només 1H, 13C, etc., també cridats espectres homonucleares.
Espectroscòpia de RMN de polsos i transformada de Fourier
[editar | editar còdic]La tècnica de RMN en transformada de Fourier (FT-NMR) és la que s'utilisa en els espectrómetros actuals. Un dels pioners en este camp és Richard R. Ernst, que la va desenrollar a partir de l'any 1966 i per la que va ser guardonat en el Premi Nobel de Química en 1991.
FT-NMR permet disminuir dràsticament el temps que requerix adquirir una acumulació (scan) de l'espectre complet de RMN. En lloc de realisar una agranada llenta de la freqüència, una en cada instant, esta tècnica explora simultànea i instantàneament tot un ranc de freqüències. Dos desenrolls tècnics varen ser fonamentals per a poder fer realitat la tècnica FT-NMR: ordenadors capaços de portar a terme les operacions matemàtiques necessàries per a passar des del domini de temps al de la freqüència, és dir, per a obtindre l'espectre; i el coneiximent sobre cóm poder excitar simultàneament tot un ranc de freqüències.
La FT-NMR funciona en la mostra (espin nuclears) somesa a un camp magnètic extern constant. Es irradia la mostra en un pols electromagnètic de molt curta duració en la regió de les radiofrecuencia. La forma que sol usar-se per a este pols és rectangular, és dir, l'intensitat de la radiofrecuencia oscila entre un màxim i un mínim que és constant mentres dura el pols. Un pols de curta duració té una certa incertitut en la freqüència (principi de indeterminación de Heisenberg). La descomposició de fourier d'una ona rectangular conté contribucions d'una de totes les freqüències. El pols que es genera és per tant policromático i quant més curt siga, és capaç d'excitar un major ranc de freqüències.
L'aplicació d'un pols policromático en una regió estreta de la banda d'radiofrecuencia (MHz) afecta a aquells espin nuclears que resonen en eixa regió. Un pols policromático en un esgambi en freqüència d'uns pocs kHz pot aplegar a excitar simúltaneamente només als espin nuclears d'un mateix tipo de núcleu atòmic dins d'una molècula, per eixemple, tots els núcleus d'hidrogen (1H). Abans del pols el vector de polarisació neta de cada u dels espin nuclears es troba en situació d'equilibri alineat en la direcció del camp magnètic. Durant el temps que s'aplica el pols, el pols introduïx un segon camp magnètic en una direcció perpendicular al camp principal de l'iman i el vector polarisació realisa un determinat moviment de precesión. Despuix de cessar el pols, el vector polarisació de tots els espin afectats pot formar un cert àngul en l'eix del camp magnètic principal. En este moment, els espin, comportant-se com a menuts imans polarisats, comencen a precesionar en la seua freqüència característica entorn al camp magnètic extern, induint una chicoteta corrent oscilante de RF en una bobina receptora situada en els voltants de la mostra. A mida que els núcleus van retornant poc a poc a la situació inicial d'equilibri alineats en en el camp magnètic principal, la senyal detectada va disminuint d'intensitat fins a fer-se zero. Esta caiguda de la senyal es coneix com a caiguda lliure de l'inducció (Free Induction Decay) (FID) i dona lloc a l'espectre de RMN.
La FID és una ona que conté totes les senyals de l'espectre en una forma que és depenent del temps. Esta ona pot convertir-se en un espectre de senyals en funció de la seua freqüència. Per a això s'utilisa una funció matemàtica coneguda com transformada de Fourier. El resultat és lo que es coneix com un espectre de RMN (espectre de freqüències).
RMN multidimensional
[editar | editar còdic]La possibilitat d'excitar la mostra en un o més polsos de radiofrecuencia (RF), cada u d'ells aplicat en una potència, duració, freqüència, forma i fase particulars, i introduir-los en moments específics de temps durant l'experiment de RMN, generalment ans que el sistema haja retornat a l'equilibri per relaixació, permet dissenyar tota una gama de seqüències de polsos de les que es pot extraure informació molecular molt variada.
Una seqüència de polsos és una distribució en el temps d'algun o varis dels següents elements: I) un cert número de polsos de RF que afecten a un o més tipos de núcleus, II) temps d'espera en els que no es fa res sino esperar a que el sistema evolucione d'una determinada forma. Estos temps d'espera poden ser fixos o ben incrementables si la seua duració es va aumentant a mida que es repetix l'experiment. III) gradient de camp magnètic i IV) una etapa final en la que s'adquirix la FID.
En un experiment de RMN multidimensional la seqüència de polsos deu constar d'a lo manco dos polsos i estos deuen separats per un periodo d'espera incrementable. La seqüència de polsos es repetix un número de voltes adquirint-se una FID en cada ocasió. La fase d'algun dels polsos pot alterar-se en cada repetició aixina com incrementar-se la duració d'un o més temps d'espera variables. Si la seqüència de polsos té un temps d'espera incrementable l'experiment tindrà dos dimensions, si té dos serà de tres dimensions, si té tres l'experiment serà de quatre dimensions. Encara que en teoria no existix llímit en el número de dimensions d'un experiment, experimentalment hi ha llimitacions impostes per la consegüent pèrdua de senyal per relaixació que comporta la detecció de les distintes dimensions. Els temps de registre dels experiments de RMN multidimensional es poden acurtar dràsticament en les tècniques ràpides de RMN desenrollades en la present década.
Els experiments multidimensionales es poden classificar en dos tipos principals:
Experiments de correlació homonuclear: Són aquells en els que totes les dimensions corresponen al mateix núcleu. Eixemples: COSY (COrrelation SpectroscopY), TOCSY (Total Correlation SpectroscopY), NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY).
Experiments de correlació heteronuclear: En este experiments s'obtenen espectres les dimensions dels quals pertanyen a diferents núcleus. Eixemples: HMQC (Heteronuclear Multiple Quàntum Correlation), HSQC (Heteronuclear Simple Quàntum Correlation), HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation), HOESY (Heteronuclear Overhauser Effect SpectroscopY).
Grosso modo, les interaccions que poden detectar-se per RMN es poden clasisficar en dos tipos:
- Les interaccions a través d'enllaços es basen en l'acoplament escalar
- Les interaccions a través de l'espai es basen en l'acoplament dipolar. En el cas de mostres en dissolució, l'acoplament dipolar es manifesta com efecte Overhauser nuclear que permet determinar la distància entre els àtoms.
Richard Ernst en 1991 i Kurt Wüthrich en el 2002 varen ser guardonats en el premi Nobel de Química per la seua contribucions al desenroll de la RMN de 2-dimensions i multidimensional en transformada de Fourier. Els alvanços conseguits per ells i per atres grups d'investigadors han expandit la RMN a la bioquímica, i en particular a la determinació de l'estructura en dissolució de biopolímers com proteïnas o inclús àcits nucleicos de tamany menut.
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «Background and Theory Page of Nuclear Magnetic Resonance Facility». Mark Wainwright Analytical Centre - University of Southern Wales Sydney (9 de decembre de 2011). Archivat des d'el original, el 27 de giner de 2014. Consultat el 9 de febrer de 2014.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Espectroscopía de resonancia magnética nuclear» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.