Download espectroscopia de moléculas por resonancia magnética nuclear

ESPECTROSCOPIA DE MOLÉCULAS
POR RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)
SEGÚN EL MODELO DE DESPLAZAMIENTO QUÍMICO
INTRODUCCIÓN
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es un fenómeno físico por el que núcleos atómicos
situados bajo la influencia de un campo magnético exterior de intensidad determinada absorben
selectivamente energía del rango de radiofrecuencias pasando a un estado excitado., proceso que
se conoce como interacción Zeeman.
Al cesar el aporte energético externo, estos mismos núcleos devuelven la energía absorbida para
regresar a su situación de equilibrio termodinámico, en un proceso de relajación que puede ser
captado, medido y cuantificado permitiendo la identificación de la molécula donde se ubican pues
la liberación ocurre de forma característica según el tipo de átomos que los rodean y los enlaces
establecidos con esos átomos.
Además, en la señal de relajación pueden identificarse sus coordenadas espaciales de origen, que
junto a la información anterior y procesada con medios adecuados permite establecer un ‘mapa’
o información morfológica de la estructura donde se ha originado.
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es, por lo tanto, una técnica instrumental no destructiva
que permite el análisis de compuestos orgánicos y algunos inorgánicos. Por medio de ella se
puede deducir la identidad de la gran mayoría de compuestos orgánicos conocidos y desconocidos.
Tan sólo se necesitan unos cuantos miligramos de sustancia para realizar un análisis.
Por su versatilidad y la riqueza de la información que produce, es la técnica más usada en la
identificación de nuevos compuestos orgánicos.
El rango de posibles aplicaciones de la resonancia magnética nuclear es demasiado amplio para
incluir una lista completa, pero algunas son:
• Verificación del grado de pureza de materias primas.
• Análisis de drogas y fármacos.
• Desarrollo de productos químicos.
• Control de calidad de productos químicos.
• Investigación de reacciones químicas.
• Identificación de sustancias desconocidas.
• Análisis de polímeros.
ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESPÍN
Los núcleos atómicos se describen como espacios ocupados por partículas subatómicas
llamadas protón y neutrón y rodeados de capas de electrones donde se ubican tantos como
protones estableciéndose así un modelo eléctricamente neutro.
El número total de protones presentes en un núcleo se conoce como número atómico, es
característico de la especie atómica a la que pertenece y se representa con la letra Z. La
suma de protones y neutrones de un núcleo se conoce como número másico, no caracteriza
la especie nuclear al existir isótopos y se representa con la letra A.
En la formulación de un elemento, estas dos características se representan de la siguiente
manera:
web.educastur.princast.es/.../3eso/3esotema4.htm
No todos los elementos periódicos son igual de susceptibles al
fenómeno de magnetización y, por tanto, de resonancia. En relación
con las características nucleares señaladas son susceptibles, y por
lo tanto útiles para investigación por esta técnica, los núcleos cuyo
número atómico o másico o ambos es impar y no poseen igual cantidad
de protones que de neutrones.
En este sentido los más empleados en la actualidad para la investigación
por resonancia magnética, tanto es técnicas de imagen como
espectroscópicas son el Hidrógeno-1, al que se le atribuye un
sensibilidad magnética de valor relativo 1 (100%) y, en menor medida,
los núcleos de fósforo-31, carbono-13, sodio-23 y otros cuyos valores
de abundancia biológica y sensibilidad magnética pueden verse en
el siguiente cuadro:
SOTOPO
ABUNDANCIA
NATURAL
ISOTÓPICA
SENSITIVIDAD
RELATIVA
NUMERO
CUANTICO
SPIN
1H
99,9
0,4
100
100
100
1
0,001
0,84
0,1
0,06
1/2
1/2
1/2
3/2
1/2
15N
19F
23Na
31P
Los núcleos atómicos realizan un movimiento de giro sobre su eje llamado espín que
representa su momento magnético. En ausencia de una fuerza o energía externa la orientación
de este giro es al azar mientras que bajo la acción de un campo magnético la orientación
del movimiento puede ser a favor de las líneas de ese campo magnético (situación down
o de baja energía o en paralelo) o en contra de ese flujo magnético (situación up, de alta
energía o en antiparalelo).
A
B
Orientación de los núcleos.
En A se aprecia la orientación al azar en ausencia de
una fuerza inductiva externa. En B se alinean a favor
o en contra del campo magnético que actúa sobre ellos,
representado por la magnitud H0 (flecha verde)
http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey/Ch13/ch13nmr-1.html
Como puede apreciarse en esta imagen , no todos los núcleos se alinean en paralelo ni
en antiparalelo frente a la acción del campo magnético. Hay una proporción mínima favorable
a los alineados en paralelo en el caso del Hidrógeno (3 a 2 en la imagen, si bien en condiciones
reales el número de protones en estado energético más bajo en exceso sobre el número
de protones en antiparalelo es muy bajo: 3 por 1.000.000) pero que es crítica a la hora de
conseguir un estudio adecuado de cualquier material ya sea por imagen o por espectroscopia
empleando esta técnica, pues son precisamente los alineados en paralelo los que nos
proporcionarán la señal que procesada posteriormente por los medios informáticos adecuados
nos dará los elementos para la valoración
analítica o la formación de la imagen, ya que
SATURACION
las probabilidades de que un núcleo absorba
energía o sea estimulado para emitir la energía
absorbida será proporcional al exceso de
población nuclear en el estado energético más
bajo.
ABSORCION
Ilustración del energético entre los estados de alta y baja
energía de una población nuclear, según la intensidad del campo
magnético que actúa sobre ellos.
http://personales.com/espana/madrid/fourier/es
pect.htm
EXCESO DE
POBLACIÓN
NUCLEAR
En realidad todo lo expuesto hasta aquí es una
simplificación de un fenómeno que es más complejo en la mayoría de los núcleos. Solo en
el caso de elementos como el Hidrógeno-1, el Carbono-13, el Flúor-19 o el Silicio-29 se dan
estas dos posibles orientaciones alternativas; en el resto de núcleos sensibles a la acción
de un campo magnético es necesario considerar sus números cuánticos para conocer el
número total de orientaciones posibles que pueden adoptar respecto a las líneas del campo
magnético externo actuante. En los casos anteriormente citados, todos de número quántico
1/2, solo se dan esas dos.
Los números cuánticos de un elemento son 4: n, l, m y s. Cada uno de ellos, responden a distintos
valores y estarían vinculados con la tabla periódica de los elementos: más específicamente con el
lugar que ocupe un determinado elemento. Para el caso de n= número cuántico principal, determina
el nivel, capa o periodo al cual pertenece el elemento. l es el número cuántico azimutal o secundario
y determina el subnivel al cual pertenece el elemento. m es el número cuántico magnético, determina
el orbital al cual pertenece el elemento en cuestión y por último s, es el número cuántico espín que
determina si es positivo o negativo. Existen limitaciones para asignar estos valores y estarían
vinculados con el Principio de exclusión de Pauli. Para el estudio de las consecuencias de la aplicación
de una fuerza magnética exterior, es de interés el número cuántico m que determina los posibles
estados energéticos que ese elemento puede adquirir como reacción a la acción de esa fuerza.
Las partículas subatómicas del núcleo también giran sobre sí e inducen campos electromagnéticos
pero son tan débiles que no afectan al campo inducido en un volumen material.
Es necesario aclarar que los núcleos no hacen un giro
alrededor de las líneas del campo en un sentido
perfectamente axial sino que giran alrededor de las mismas
recordando el giro que describe un trompo y a este
movimiento se le llama precesión*, similar al que realiza
el planeta Tierra alrededor de su eje.
Momento magnético generado por un
movimiento de precesión de un núcleo
(* un vídeo de precesión de la Tierra se encuentra
en:http://video.google.es/videoplay?docid=8862814180787035141)
La respuesta de los átomos susceptibles a la inducción electromagnética externa no es por
otro lado homogénea ni siquiera entre los átomos de un mismo elemento, pues existe un
efecto de ‘apantallamiento’ por parte de los electrones corticales que poseen y por la de
otros elementos que se les sitúan en sus inmediaciones, especialmente los de aquellos que
han establecido algún tipo de enlace químico con ellos que puede, incluso, bloquear la
inducción. Este tipo de efecto se da en núcleos dotados o rodeados de un elevado número
de electrones corticales en los cuales la suma de los espín electrónicos de estas mismas
partículas es capaz de contrarrestar la influencia de la inducción magnética. Esto provoca
que distintos núcleos de un mismo elemento no tengan una respuesta homogénea frente
a la irradiación con energía externa y ofrezcan, en consecuencia, una gran variabilidad de
respuestas según el entorno químico donde se encuentren situados. El análisis de estas
respuestas es la base de la espectroscopia por resonancia magnética. Las variaciones en
las frecuencias de absorción energética por resonancia que muestran los núcleos por su
diferente apantallamiento y que posibilita la identificación del entorno molecular donde se
ubican recibe el nombre de desplazamiento o corrimiento químico y se mide en unidades
delta ( d o partes por millón (ppm). Una definición de desplazamiento químico es esta:
Al aplicar un campo magnético a una molécula se inducen momentos magnéticos electrónicos
de sentido contrario al campo aplicado que lo "apantallan" ligeramente. El grado de
apantallamiento (definido por la constante de apantallamiento: s) depende de la densidad
electrónica de cada región de la molécula. Según el apantallamiento que experimenta cada
protón su frecuencia de resonancia es ligeramente distinta: hn = 2mmH0(1-s). Utilizando una
sustancia de referencia, se define el desplazamiento químico de cualquier protón como: d
(ppm) =106(nmuestra – nreferencia)/nespectrómetro. El desplazamiento químico de un protón
es independiente del instrumento utilizado y tiene valores característicos para cada grupo
funcional.
http://bifi.unizar.es/jsancho/estructuramacromoleculas/18rmn/18rmn.htm
El elemento más profusamente utilizado para la realización de estudios tanto espectroscópicos
como de imagen por resonancia magnética es el Hidrógeno pues concurren en el mismo
dos factores: su gran abundancia y el hecho de poseer un solo protón en su núcleo, lo que
hace que pueda manejarse según los parámetros deseados y relativamente sencillos. De
ahí que se hable muchas veces de estudios de resonancia del protón del hidrógeno o
simplemente del protón.
CAMPOS MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO
Un campo, en el sentido físico del término, debe entenderse como un espacio donde se
pone de manifiesto un fenómeno.
Se puede definir campo eléctrico como el espacio de fuerza que una carga eléctrica puntual
inmóvil y aislada crea a su alrededor y que se manifiesta cuando en ese espacio aparece
otra carga.
La representación más común de este
espacio de fuerza es la siguiente:
Las dos magnitudes que pueden
describirse en el mismo, intensidad
y dirección vienen representadas,
respectivamente, por la separación
de las líneas y por el sentido de estas
que informa de si la interacción es
atractiva o repulsiva.
Representación de campos eléctricos creados por cargas
puntuales negativa y positiva.
Cuando una carga eléctrica está en
movimiento el espacio de fuerza que
es.wikibooks.org/wiki/Electricidad
genera a su alrededor en su
desplazamiento se denomina campo magnético el cual puede definirse como la transmisión
de la perturbación espacial originada por la propia carga. La forma de poner de manifiesto
este espacio es hacer circular una segunda carga por el mismo para objetivar si es objeto
de acción de la fuerza del campo originado por la primera.
La forma en la que puede percibirse o ponerse de manifiesto la intensidad, la dirección y
el sentido de un campo electromagnético –las tres magnitudes que lo describen- es a través
de sus líneas de campo o líneas de fuerza, definibles como lugares de materialización de
esa misma fuerza cuando entra en contacto con un material susceptible de experimentar
su acción.
El flujo magnético originado se ordena alrededor de la carga generadora en forma de líneas
que se aproximan de forma infinitesimal hasta confluir en dos lugares del campo conocidos
por ello como polos. Esas líneas guardan entre sí una distancia crítica que es inversamente
proporcional a la intensidad del flujo de cada punto.
Un ejemplo es la colocación de limaduras de hierro alrededor de un imán: las limaduras se
ordenan manifestando la materialización del campo en forma de líneas que identifican la
interacción de la intensidad magnética con ese material particular.
(www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/Mfldline.html )
El flujo magnético, generalmente representado con la letra griega F, es una medida de la
cantidad de magnetismo, a partir de la fuerza y la extensión de un campo magnético. El flujo
(F) a través de un área perpendicular a la dirección del campo magnético, viene dado por
el producto de la densidad de campo magnético o número de líneas de fuerza por unidad
de superficie (B) por la superficie (S).
La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se
designa por Wb.
En el C.G.S. se utiliza el Maxwell (1 weber =108 maxwells).
(http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_magnético ).
La fuerza ejercida por un flujo magnético de un Maxwell en un centímetro cuadrado se
conoce como Gauss y es la unidad en el sistema cegesimal de inducción magnética. En el
SIU se emplea el Tesla (T) siendo 1T = 10.000 Gauss (1 Gauss = 10 -4 T).
El Gauss tiene la ventaja frente al Tesla de ser más fácilmente perceptible al representar
la intensidad magnética aproximada del campo gravitatorio terrestre. Así a nivel del polo
norte se calcula que este campo tiene una intensidad aproximada de 0,7 Gauss mientras
un imán de los que se sitúan en la
puerta del frigorífico tiene entre 50 y
100 Gauss.
En resonancia magnética es
precisamente la magnetización de
cuerpos materiales la que permite su
análisis y esa magnetización se logra
por exposición de los mismos a
campos electromagnéticos
suficientemente intensos como para
actuar de inductores en los mismos
de cambios de tipo estructural
cuantificables y reversibles.
SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA DE LA MATERIA
Cuando se exponen diversos materiales a la acción inductora de un campo magnético
pueden observarse diferentes formas de respuesta o reacción respecto al mismo.
Estas diferentes formas de responder han llevado a la clasificación de la materia en tres
grupos y se han sentado las bases para la explicación molecular de estos diferentes modos
de respuesta.
Están por un lado los materiales que como el hierro responden a la acción del campo
magnético exterior con un efecto de imantación
más o menos permanente. Este tipo de
materiales se denominan ferromagnéticos y
se establece que este comportamiento se debe
a que muestran un desorden previo en forma
de dipolos moleculares que se ordenan y suman
sus momentos como reacción a la acción de
un campo externo, cuando en ausencia de ese
campo muestran una ordenación en dipolos
o dominios magnéticos internos que cancelan
sus momentos magnéticos entre ellos. Este
hecho puede observarse experimentalmente
situando limaduras de hierro en un tubo de
ensayo al que se aproxima un imán. Se verá
una ordenación de las limaduras con las líneas
de campo. Al retirar el imán, las limaduras se desmagnetizan y se desordenan al agitar el
tubo que las contiene. Podría considerar cada limadura como un modelo de ordenación
interior de este tipo de materiales y a este modelo se le denomina dominio magnético. La
respuesta a la magnetización que manifiestan en función de la intensidad magnética aplicada
puede verse en el esquema de la derecha:
Exhiben este comportamiento materiales como el hierro,
el cobalto o el níquel.
http://www.cobaes.edu.mx/2005/fisica/fisica2/topics/t197m.htm
Existen, por otro lado, materiales que exhiben una atracción débil cuando son inducidos
magnéticamente. Son los materiales paramagnéticos y en ellos se cree que los dominios
o imanes moleculares que los componen muestran un completo desorden que la acción
inductora solo llega a ordenar parcialmente. Magnesio, aluminio, tungsteno o platino se
consideran materiales paramagnéticos.
Los materiales que exhiben una ligera repulsión frente a la acción inductora de un campo
externo se denomina diamagnéticos. En ellos la materia que los compone no muestra una
organización en forma de dipolos o dominios magnéticos sino que se cree que la acción del
campo externo es contrarrestada por la reordenación de los electrones corticales de los
átomos que los componen, dando como resultado la formación en los mismos de un nuevo
campo magnético que se opone a la acción del campo externo. Cobre, bismuto, diamante,
mercurio o nitrógeno pertenecen a este grupo.
El comportamiento de las líneas de campo según la susceptibilidad magnética de un objeto
situado en su seno se aprecia en los siguientes esquemas:
A. Material ferromagnético
B. Material paramagnético
C. Material diamagnético
http://www.cobaes.edu.mx/2005/fisica/fisica2/topics/t197m.htm
EL FENÓMENO FÍSICO DE RESONANCIA
La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido
a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración coincide con el periodo de
vibración característico de dicho cuerpo.
http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia_(mecánica)
Resonancia originada por un diapasón sobre una escala de notas
En esa circunstancia, el cuerpo absorbe la energía de la fuerza periódica a la que es sometido
‘acoplando’ el movimiento de las partículas elementales que lo componen a la frecuencia
del elemento perturbador y esa energía absorbida le provocará modificaciones de algún
tipo.
Ejemplos de resonancia mecánica con efectos más o menos desastrosos pueden verse en
las páginas:
http://blog.rvburke.com/2006/11/16/resonancia-mecanica-en-la-estructura-del-puentede-tacoma/
http://www.aunaocio.com/zonaweb/giroferetro/pagina22466.htm
http://www.youtube.com/watch?v=6EcNbJBPPaw
http://www.youtube.com/watch?v=mCqNP0uxX8Q
http://www.youtube.com/watch?v=OJhGvU2sGGs
Hasta el momento en lo que llevamos expuesto del tema que nos ocupa tenemos un sistema
de núcleos que giran alineados con las líneas de un campo magnético exterior inductor en
posición de alta o baja energía. Su frecuencia de giro puede ser conocida en estas
circunstancias conociendo la intensidad del campo magnético que actúa como inductor
mediante la siguiente relación matemática llamada ecuación de Larmor:
wo = gBo
donde g se conoce como constante giromagnética que es característica de cada elemento
periódico (para el ¹H toma el valor de 2.675x108 S-1T-1), w0 es la frecuencia de giro y B0
es la intensidad del campo magnético.
Por lo tanto, cada elemento susceptible a la acción inductora del campo magnético precesará
a una frecuencia diferente y conocida, si conocemos la intensidad del campo y la constante
giromagnética de ese elemento. La constante giromagnética de un núcleo es su relación
carga/masa.
Sin embargo ya se ha mencionado anteriormente el efecto pantalla o ‘apantallamiento’ que
ejercen los electrones sobre los núcleos y se hace necesario reconsiderar este aspecto. La
intensidad magnética que llega a los núcleos será distinta según el grado de protección
electrónica al que estén sometidos y el número de electrones que se interponen depende
del radical o la molécula donde se ubique ese elemento. Por lo tanto, dentro del rango de
momentos magnéticos de su especie, los núcleos precesan a frecuencias características
de la molécula a la que pertenecen.
Si en estas condiciones enviamos sobre los núcleos que están precesando una onda de
radiofrecuencia cuya frecuencia coincida con su frecuencia de precesión, la energía de la
onda será absorbida por el fenómeno de resonancia y los núcleos que se encontraban
orientados a favor de las líneas del campo magnético, pasarán a estar orientados en contra;
pasarán de situación ‘down’ a situación ‘up’; es decir, les conduciremos a un estado excitado
cuya relajación y la liberación energética será la que emplearemos para su identificación,
determinación y análisis.
Vídeos que ilustran este fenómeno se encuentran en:
http://www.radiologyinfo.org/sp/video/index.cfm?filename=mr&bhcp=1
El campo magnético aplicado originalmente inducirá en la materia expuesta al mismo una
imantación longitudinal –en el eje Z- cuya cuantificación es difícil por ser mínima la diferencia
del número de núcleos alineados en paralelo respecto a los dispuestos en antiparalelo. La
utilidad de la onda de radiofrecuencia, llamada B1 o campo magnético secundario es inducir
una componente transversal de imantación al aplicarse de forma perpendicular al sentido
del campo B0 , que al relajarse devolverá también transversalmente a la orientación del
campo B0 la energía absorbida, permitiendo cuantificar el grado de magnetización total
presente en el área donde ha sido aplicada.
Poniendo un ejemplo más comprensible, podríamos decir que tratamos de saber cuanta
agua fluye por un río. La magnetización longitudinal inducida por el campo magnético principal
es como verlo fluir desde la orilla: sabemos que fluye pero no cuanta; necesitamos desviar
el cauce hacia nosotros durante cierto tiempo si queremos cuantificarlo y eso es lo que hace
el campo inducido por la radiofrecuencia al ‘inclinar’ lateralmente la magnetización existente
en la transición de la posición ‘up’ a ‘down’. (Las ondas de RF son cargas en movimiento
y, por lo tanto, generadoras de campo).
CAMPOS MAGNÉTICOS PRINCIPAL (B0 ) Y DE RADIOFRECUENCIA (B1 )
La orientación espacial de ambos se establece de tal forma que, tomando como referencia
un sistema cartesiano que precesa a la misma frecuencia que los núcleos, el campo magnético
principal B0 sitúa sus líneas de fuerza, por convenio, sobre el eje Z o longitudinal del mismo,
mientras que el campo B1 de radiofrecuencia incide según un plano XY o transversal. Es
decir, ambos se sitúan perpendicularmente el uno respecto al otro, como ya se ha comentado
anteriormente.
Referencia a un sistema cartesiano y
magnetización neta longitudinal en el eje Z
(en rosa) antes de la excitación por RF
Inclinación del vector de magnetización neta
con aparición de la componente transversal
(en verde) tras la RF
Resumen del efecto provocado sobre la magnetización generada por el campo magnético principal por la onda de RF
http://www.uninorte.edu.co/extensiones/IDS/Ponencias/CONT_ELECTRO/RM1.pdf
La naturaleza de ambos campos, por otro lado, no es la misma al no serlo tampoco la función
que desempeñan en el muestreo de la materia expuesta a su acción.
Interesa que el campo principal sea lo más estable posible en el tiempo y en espacio y que
aporte un gran flujo magnético, es decir, que sea de gran intensidad, mientras que los
campos inducidos por la RF son menos duraderos, pues se aplican en forma de ‘pulsos’
(secuencias de ondas de duración limitada a micro o nanosegundos) e intensidad mucho
menor que el campo magnético principal. Se denominan según el ángulo de inclinación
(ángulo de nutación) que producen sobre la magnetización longitudinal alineada con
el eje Z. Así un pulso de 20º producirá ese ángulo de inclinación de esa magnetización
hacia el plano XY, igual que uno de 90º o p/2 situará toda esa magnetización en ese
plano o uno de 180º o pulso p invertirá toda la magnetización sobre el eje Z (inversión).
Estos pulsos modifican el ángulo de precesión pero no la frecuencia con la que
precesan los núcleos.
Una animación que ilustra esta exposición puede encontrarse en:
http://www.intermnet.ua.es/inteRMNet/sistreffij.htm
Ejemplo de la acción de un pulso de 90º sobre la magnetización contenida en un volumen de materia
http://personales.com/espana/madrid/fourier/espect.htm
El concepto de pulso es la clave de toda la RMN. El pulso consiste en la aplicación de una
radiación, generalmente monocromática (de energía del orden de las ondas de radio) de
frecuencia wref. durante un cierto intervalo de tiempo Dt (la longitud del pulso).
Esquemáticamente se pueden representar como:
Los pulsos de radiofrecuencia se
encadenan de una forma ordenada
constituyendo secuencias de pulsos
compuestas por al menos dos
excitaciones seguidas separadas por
un tiempo variable según el fin
deseado tras la cual se obtendrá una
respuesta del material irradiado que
recibe el nombre de caída libre de
la inducción o FID (free induction
http://www.intermnet.ua.es/inteRMNet/excitacion.htm
decay) en forma de onda de
radiofrecuencia que puede ser
captada y descompuesta para su estudio detallado con la tecnología adecuada.
El tiempo que separa dos pulsos consecutivos de RF de igual magnitud en una secuencia
se denomina TR y el tiempo que transcurre desde la emisión de un pulso hasta la recepción
de la señal proveniente de la materia irradiada se denomina TE.
Estas secuencias se aplican sobretodo en la generación de señal para la obtención de
estudios por imagen pues su función principal es potenciar el contraste de los diferentes
tejidos que aparecen según su riqueza en protones, pero no tanto en las técnicas
espectroscópicas ‘in vitro’ donde los espectros vibracionales de los radicales moleculares
pueden obtenerse normalmente cuantificando la magnetización inducida en la muestra por
el campo magnético B0 y examinando los patrones gráficos de liberación energética que
ocurren el los fenómenos de relajación nuclear.
Los pulsos p/2 o pulsos de 90 al llevar toda la energía magnética presente en un volumen
de materia hacia el plano XY permiten la lectura y cuantificación de la misma, recibiendo
por este motivo el nombre de pulsos lectores.
Por su parte los pulsos p o de 180, además de invertir el sentido de la magnetización sobre
el eje Z, también obligan a los núcleos a precesar en fase cuando han perdido esta, es decir,
los ‘refocusan’o ‘refocalizan’, restaurando la
componente transversal cuando esta disminuye.
Pulsos de 90 y 180 grados
La generación de los campos magnéticos,
también es diferente para el caso del principal
y el de radiofrecuencia. La generación del campo
principal B0 a lo largo del eje Z puede hacerse
de múltiples formas. Los imanes naturales
pueden proporcionar en algunos casos fuentes
de campo estables pero no lo suficientemente
poderosas como para servir de generadores
en espectroscopios –proporcionan intensidades de hasta 0.3 Gauss- pero son muy pesados
y voluminosos, y por eso en la mayoría de estos aparatos la inducción se realiza mediante
electroimanes ya sean resistivos o superconductores y en ellos el devanado sin defectos
en las tres direcciones del espacio es fundamental para la obtención de campos lo más
homogéneos posibles.
Suele recurrirse a la fragmentación del campo de lectura en gradientes que nos muestran
diversas regiones de la muestra simultáneamente, efecto que se consigue normalmente
mediante bobinas superpuestas al campo B0 que lo fragmentan en los ejes del espacio,
consiguiéndose combinar áreas sometidas a diferente intensidad magnética y, por lo tanto,
con distintas frecuencias de resonancia.
Los gradientes permiten identificar el origen espacial de la señal de retorno y para conseguirlos
se parcela la intensidad del campo principal mediante la superposición de campos originados
por la circulación de corriente eléctrica en circuitos diseñados a tal efecto y conocidos como
bobinas de gradiente que pueden disponerse solo a lo largo de uno de los ejes (Z, X o Y),
en dos o en los tres. La activación de los gradientes en solo uno de los ejes (normalmente
el Z), en dos o en los tres ejes permite inducir
excitaciones selectivas de diferente orientación
espacial que dan como resulado diferentes
dimensiones de lectura del fenómeno. En
espectroscopia ‘in vitro’ los estudios más habituales
son unidimensionales y se realizan de forma incipiente
técnicas bidimensionales.
Campo sin gradientes
El tamaño de las zonas adyacentes con diferente
grado de inducción se asimila al tamaño del píxel
–en dos dimensiones- o del vóxel –en tres- y se define
así a capacidad de resolución espacial de los sistemas
que emplean esta técnica y que es un aspecto
importante, sobretodo para estudios con formación
de imagen.
El campo B 1 se induce mediante bobinas de
radiofrecuencia situadas sobre los ejes X e Y que pueden
generar todo el rango de impulsos mediante sumas o
restas de la frecuencia de resonancia patrón y que
realizan, también, el registro o lectura de los ecos
generados en la muestra como respuesta a la inducción
y excitación cuando están en modo de recepción. Se
trata por tanto de auténticas antenas emisoras y
receptoras de ondas de radiofrecuencia como las
empleadas para la transmisión de señales de radio,
televisión y telefonía.
Campo con gradientes en los ejes X e Y
http://www.uninorte.edu.co/extensiones/IDS/Ponencias/CONT_ELECTRO/RM1.pdf
EXCITACIÓN Y RELAJACIÓN NUCLEAR
Cuando los protones están alineados con el campo magnético principal se encuentran en
estado de equilibrio. Si se aplica un impulso de RF que tenga la misma frecuencia que la
frecuencia de precesión de los protones, se provoca una transferencia de energía entre
estos dos sistemas, es decir, estos dos sistemas entran en resonancia. Durante este proceso
de resonancia, los protones absorben energía y pasan de un estado de reposo a un estado
de excitación. Al cesar el pulso de radiofrecuencia, los protones previamente excitados
tienden a regresar a su situación de reposo, de mayor estabilidad, liberando la energía
previamente absorbida.
Desde el punto de vista mecánico-cuántico en la excitación la desviación del vector de
magnetización global de un grupo de núcleos, respecto a su posición de equilibrio, equivale
a la transición desde un estado de energía bajo hasta otro más alto. Dicha transición solo
tiene lugar cuando la energía de los cuantos del campo de radiofrecuencia equivale
exactamente a la diferencia de energía magnética entre los dos estados energéticos.
Además, en el fenómeno de ganancia energética llamado excitación los núcleos no solo se
alinean en mayor proporción en contra del flujo magnético de las líneas del campo principal
B0 sino que, también, precesan en fase, lo hacen sincrónicamente entre ellos alrededor de
esas líneas por un fenómeno de acoplamiento espín-espín entre núcleos próximos.
http://www.uninorte.edu.co/extensiones/IDS/Ponencias/CONT_ELECTRO/RM1.pdf
La relajación o cesión de la energía ganada tras el cese de la radio-onda, ocurrirá igualmente
por los dos fenómenos contrarios.
Por un lado, los núcleos perderán la fase de precesión y por otro, volverán a su alineamiento
original con las líneas del campo inductor por devolución al medio circundante del exceso
energético previamente adquirido.
Estos dos fenómenos de pérdida o reequilibrio
energéticos, simultáneos en el tiempo, se estudian
de forma separada para estructurar la magnitud de
los dos tipos de respuesta de relajación y poder llegar
a resultados significativos. Por ello también se
denominan de forma diferente:
al fenómeno de realineación con el eje Z se le
denomina relajación longitudinal o térmica o T1 o
relajación espín-medio (spin-lattice) o espín-red.
T1 en visión lateral y superior
Curva exponencial representativa del fenómeno
al fenómeno de pérdida de
energética en el plano XY
se le denomina relajación
transversal o T2 o relajación
espín-espín, relacionada
sobretodo con la pérdida de
fase de los núcleos.
T2 en visión superior mostrando el efecto de desfase
Curva exponencial representativa del fenómeno
La relajación T1 (relajación longitudinal); se puede definir como el tiempo
(milisegundos, y segundos) que los protones necesitan para recuperar el 63.2%
de su valor Mz (momento magnético neto en el eje Z) original, tras aplicar un
pulso de radiofrecuencia que hace rotar 90º al momento magnético neto original.
La relajación T2 (relajación transversal) se define como el tiempo necesario para
reducir la magnetización transversal neta del 37% del valor original.
Se puede describir un tercer fenómeno de relajación llamada T2* (T2 estrella)
determinado por inhomogeneidades en el campo magnético local donde precesan
los núcleos y relacionado con la imperfección en la inducción del campo magnético
principal de origen instrumental pues ni siquiera con los mas modernos electroimanes
empleados en los sistemas de resonancia se consigue inducir campos magnéticos
perfectamente homogéneos en la materia a ellos expuesta. El fenómeno T2* es
un proceso T2 dinamizado por la presencia de moléculas capaces de absorber
radiación electromagnética en la gama de las radiofrecuencias y es principalmente
útil para la identificación por imagen de determinados procesos donde aparecen
implicados estos productos como la hemoglobina y sus productos de degradación
en hemorragias intracraneales. En este sentido, la identificación de procesos por
la presencia de determinados productos, podría decirse que se trata de un proceso
que permite realizar espectroscopias ‘in vivo’.
En el siguiente enlace puede verse una simulación animada de los procesos de
relajación nuclear:
http://video.google.es/videoplay?docid=-6209384107030912844