Resonància magnètica nuclear

Archiu:700 lab fix.JPG

Resonància magnètica nuclear

Archiu:700 lab fix. caps block 0

Espectrómetro de resonància magnètica nuclear en un laboratori.

La resonància magnètica nuclear (RMN) és un fenomen físic basat en les propietats mecànic-quàntiques dels núcleus atòmics en ser pertorbats dins d'un camp magnètic oscilante.

La RMN aprofita que els núcleus atòmics (per eixemple, dins d'una molècula) resonen a una freqüència directament proporcional a la força d'un camp magnètic eixercit, d'acort en l'equació de la freqüència de precesión de Larmor, per a posteriorment pertorbar este alineamiento en l'us d'un camp magnètic altern, d'orientació ortogonal. La lliteratura científica fins al 2008 inclou espectres en un gran interval de camps magnètics, des de 100 nT fins a 20 T. Els camps magnètics majors són a sovint preferits lloc que correlacionan en un increment en la sensibilitat de la senyal, encara que per a l'image per resonància magnètica en medicina s'utilisen camps magnètics que generen radiació no ionizante. Existixen molts atres métodos per a incrementar la senyal observada. L'increment del camp magnètic també es traduïx en una major resolució espectral, els detalls de la qual són descrits pel desplaçament químic i l'efecte Zeeman.

Tots els núcleus que posseïxen un número impar de protones + neutrons tenen un moment magnètic i un moment angular intrínsec, en atres paraules, tenen un espin > 0. Els núcleus més comunament amprats en RMN són el protio (¹H, l'isòtop més sensible en RMN despuix de l'inestable triti, ³H), el ¹³C i el ¹⁵N, encara que els isòtops de núcleus de molts atres elements (²H, ¹⁰B, ¹¹B, ¹⁵N, ¹⁷O, ¹⁹F, ²³Na, ²⁹Si, ³¹P, ³⁵Cl, ⁹⁹Tc, ¹¹³Cd, ¹⁹⁵Pt) són també utilisats.

El fenomen de la RMN també s'utilisa en la RMN de camp baix, la RMN de camp terrestre i alguns tipos de magnetómetros. RMN també es referix a la família de métodos científics que exploren este fenomen per a estudiar molèculas (espectroscòpia de RMN), macromoléculas (RMN biomolecular), aixina com teixits i organismes complets (image per resonància magnètica).

Història

Descobriment

La resonància magnètica nuclear va ser descrita i mida en rajos moleculars per Isidor Isaac Rabi en 1938. Huit anys despuix, en 1946, Félix Bloch i Edward Mills Purcell refinen la tècnica usada en líquits i en sòlits, per lo que varen compartir el Premi Nobel de Física en 1952.

Purcell havia treballat en el desenroll del radar i les seues aplicacions durant la Segona Guerra Mundial en el Laboratori de Radiació del Institut Tecnològic de Massachusetts. El seu treball durant tal proyecte va ser produir i detectar energia de radiofrecuencias, i sobre absorció de tals energies de RF per la matèria, precedint a la seua codescubrimiento de la RMN.

Ells es varen donar conte de que els núcleus magnéticamente actius, com ¹H (protio) i ³¹P, podien absorbir energia de RF quan eren colocats en un camp magnètic d'una potència específica i aixina conseguien identificar els núcleus. Diferents núcleus atòmics dins d'una molècula resonen a diferents freqüències de radi per a la mateixa força de camp magnètic. L'observació de tals freqüències resonantes magnètiques dels núcleus presents en una molècula permet a l'usuari entrenat descobrir informació química, estructural, espacial i dinàmica sobre les molècules.

El desenroll de la resonància magnètica nuclear com a tècnica de química analítica i de bioquímica va ser paralela en el desenroll de la tecnologia electromagnètica i la seua introducció a l'us civil.

Principi físic

Espin nuclear

Els hadrones (més específicament bariones) que componen al núcleu atòmic (neutrons i protones), tenen la propietat mecànic-quàntica intrínseca del espin. L'espin d'un núcleu està determinat pel número quàntic de l'espin I. Si el número combinat de protones i neutrons en un isòtop donat és parell, llavors I = 0, i. i. no existix un espin general; aixina com els electrons es aparean en orbitales atòmics, d'igual manera s'associen neutrons i protones en número par (que també són partícules d'espin ½) per a donar un espin general = 0.

Un espin distint a zero, I, està associat a un moment magnètic distint a zero, μ:

$\mu =\gamma I$

en a on γ és la constant giromagnética. Esta constant indica l'intensitat de la senyal de cada isòtop usat en RMN. Llevat en la desintegració atòmica, no s'obté el núcleu separat dels electrons, els electrons que giren al voltant del núcleu es distinguixen pels quatre números quàntics, la mecànica quàntica ho explica

Valors del moment angular de l'espin

El moment angular associat a l'espin nuclear esta cuantizado. Açò significa que tant la magnitut com la orientació del moment angular estan cuantizadas (és dir, I solament pot prendre valors en un interval restringit). El número quàntic associat es coneix com a número quàntic magnètic, m, i pot prendre valors sancers des de +I fins a -I. Per lo tant, per a qualsevol núcleu, existix un total de 2I+1 estats de moment angular.

El component z del vector de moment angular, I_z és per lo tant:

$I_z=m\hslash$

en la que $\hslash$ és la constant de Planck reduïda.

El component z del moment magnètic és simplement:

${\mu }_z=\gamma I_z=m\gamma \hslash$

Comportament de l'espin en un camp magnètic

Considerem un núcleu que posseïx un espin de ½, com ¹H, ¹³C o ¹⁹F. Este núcleu té dos estats possibles d'espin: m = ½ o m = -½ ( també se'ls crida 'dalt' i 'avall', o α i β, respectivament). Les energies d'estos dos estats són degeneradas —la qual cosa significa que són les mateixes. Per lo tant les poblacions d'estos dos estats (i.i. el número d'àtoms en els dos estats) seran aproximadament iguals en condicions d'equilibri tèrmic.

No obstant, en posar este núcleu baix un camp magnètic, l'interacció entre el moment magnètic nuclear i el camp magnètic extern promourà que els dos estats d'espin deixen de tindre la mateixa energia. L'energia del moment magnètic μ baix l'influència del camp magnètic B₀ (camp magnètic principal) està donat pel producte escalar negatiu dels vectores:

$E=-{𝐁}_0\cdot 𝝁=-{\mu }_z{B}_0$

En el que el camp magnètic ha segut orientat a lo llarc de l'eix +z (per convenció).

Per lo tant:

$E=-m\hslash \gamma B_0$

Com a resultat, els distints estats nuclears de l'espin tenen diferents energies en un camp magnètic ≠ 0. En atres paraules, podem dir que els dos estats de l'espin d'un espin ½ han segut alineats ya siga a favor o en contra del camp magnètic. Si γ és positiva (la qual cosa és cert per a la majoria dels isòtops) llavors m = ½ està en l'estat de baixa energia.

La diferència d'energia entre els dos estats està donada per l'equació:

$\Delta E=\hslash \gamma B_0$

i esta diferència es traduïx en una menuda majoria de espin en l'estat de baixa energia.

La resonància ocorre quan esta diferència energètica és excitada per radiació electromagnètica de la mateixa freqüència. L'energia d'un fotó és $E=h\nu$, a on $\nu$ és la seua freqüència. Per lo tant l'absorció ocorrerà quan:

$\nu =\frac{\Delta E}{2\pi \hslash }=\frac{\gamma B_0}{2\pi }$

Estes freqüències corresponen típicament a l'interval de radiofrecuencias de l'espectre electromagnètic.

Apantallamiento nuclear

Podria semblar, per lo dit dalt, que tots els núcleus del mateix núclido (i per lo tant la mateixa γ) resonen a la mateixa freqüència. Este no és el cas. El destorbament més important en les freqüències per a aplicacions en RMN és l'efecte de 'apantallamiento' que eixercixen els electrons circumdants. En general, este apantallamiento electrònic reduïx el camp magnètic del núcleu (la qual cosa determina la freqüència de la RMN), degut a que s'alineen en contra direcció al Bo. Com a resultat, la brecha energètica es reduïx i la freqüència requerida per a alcançar resonància també es reduïx. Este desplaçament de la freqüència de RMN, influenciat fortament pels grups químics es coneix com a desplaçament químic, i explica per qué el RMN és una sonda directa de l'estructura química. Si un núcleu està més apantallado, estarà desplaçat cap a 'camp alt' (menor desplaçament químic) i si està més desapantallado, llavors estarà desplaçat cap a 'camp baix' (major desplaçament químic).

A menos que la simetria local siga particularment alta, l'efecte de apantallamiento depén de l'orientació de la molècula sobre el camp extern. En RMN d'estat sòlit, el 'gir a l'àngul màgic' (magic angle spinning) és necessari per a dissipar esta dependència orientacional. Açò no es requerix en RMN convencional posat que el moviment ràpit i desordenat de molècules en solució dissipa el component anisótropo del desplaçament químic.

Digitalisació per mig de transformada de Fourier

La recuperació natural de la direcció i sentit dels espin una volta es deixa d'aplicar la radiofrecuencia, generarà unes emissions a conseqüència de la lliberació energètica, els quals seran captats per l'antena receptora del escàner. Estes emissions han d'anar en concordancia en la Dim-Fase, sent la compilació de totes estes emissions el principi de la resonància magnètica.

Una volta finalisada tota l'extracció de senyes es procedirà al tracte de les mateixes en el domini de la freqüència per mig de l'ocupació de la transformada de Fourier, la qual nos facilitarà la reconstrucció de l'image final per pantalla. La freqüència de la variació d'una senyal en l'espai es denomina "K", és dir, les senyes compilados en el domini de les freqüències espacials es denomina espai K.

La finalitat de la creació d'este espai és poder aplicar les lleis matemàtiques de Fourier, lo que permet identificar el lloc de procedència de les emissions en un determinat moment i, per lo tant, el seu lloc de procedència.

Vore també

• Electromagnetisme
• Image per resonància magnètica
• Relaixació (RMN)
• Tomografía
• Tecnologia sanitària
• Biorresonancia (pseudociencia)
• Resonància d'espin electrònic.
• Image per resonància magnètica funcional.

Bibliografia

• Hornak, Joseph P. The Basics of NMR

• Blümich, Bernhard, "RMN portàtil", Investigació i Ciència, 390, març de 2009, pp. 82-87.