Spectroscopie prin rezonanță magnetică nucleară

Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară , denumită și spectroscopie RMN (din engleză nuclear magnetic resonance ), este o metodă spectroscopică bazată pe proprietățile magnetice ale nucleilor unor atomi și izotopi .

Concepte fundamentale

Proprietățile magnetice ale miezului

Reprezentarea rotației nucleului de hidrogen

Rotația nucleilor atomici pe ei înșiși este capabilă să procure un moment magnetic $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ unora dintre ei. Cel mai simplu dintre elementele care au moment magnetic nuclear și cel mai important din punct de vedere practic este hidrogenul. Putem vizualiza aproximativ singurul proton din care atomul de hidrogen este compus ca o bilă care se rotește pe sine și este încărcată uniform: porțiunile infinitesimale de sarcină generează un câmp magnetic în funcție de distanța lor de axa de rotație. ^[1]

Proprietățile de spin ale protonilor și neutronilor care alcătuiesc atomii mai grei se combină pentru a defini spinul total al nucleelor elementelor mai grele, de unde și eventualul moment magnetic al acestora. Numai nucleele cu un număr atomic impar și / sau masă atomică prezintă proprietăți magnetice: numărul lor cuantic de spin I este diferit de zero.

Direcția momentului magnetic astfel produs este, pentru un proton în vid, absolut aleatorie: nu există nicio diferență între o orientare și cealaltă.

Câmp aplicat și efect Zeeman

Același subiect în detaliu: efectul Zeeman .

Acum să ne imaginăm aplicând un câmp magnetic B ₀ : momentul magnetic al protonului va tinde să se alinieze cu câmpul extern. Pentru proton, au ajuns să fie create două niveluri de energie: unul, cu o energie mai mare, în care momentul său magnetic se opune câmpului extern; una, energie mai mică, în care este aliniată.

Mărimea acestei împărțiri este direct proporțională cu câmpul aplicat și urmează această expresie:

\Delta E=h\gamma B_{0}/2\pi \;

{\ displaystyle \ Delta E = h \ gamma B_ {0} / 2 \ pi \;}

{\ displaystyle \ Delta E = h \ gamma B_ {0} / 2 \ pi \;}

Unde gamma este raportul giromagnetic al nucleului (26750 pentru proton), h este constanta lui Planck , iar B ₀ este puterea câmpului magnetic aplicat. Împărțirea rotației unei particule în grupuri de rotație la niveluri de energie distincte se numește efect Zeeman . Prin furnizarea protonului cu o cuantică de energie (de exemplu un foton) suficientă pentru a umple golul de energie , acesta din urmă îl absoarbe, presupunând un moment magnetic opus celui aplicat (nivel de energie mai mare). Dacă undele electromagnetice sunt utilizate ca vector de energie, frecvența cu care un atom activ va absorbi va fi:

\nu =\gamma B_{0}/2\pi \;

{\ displaystyle \ nu = \ gamma B_ {0} / 2 \ pi \;}

{\ displaystyle \ nu = \ gamma B_ {0} / 2 \ pi \;}

numită frecvență Larmor , frecvență de precesiune sau frecvență de rezonanță .

De exemplu, pentru un proton cufundat într-un câmp magnetic de 14092 gauss (1,4092 tesla ), frecvența de rezonanță este de 60 MHz: prin iradierea unui grup de protoni cufundați în acest câmp, unii dintre cei de la nivelul inferior de energie vor absorbi o cuantă de energie inversând rotirea lor.

Este dificil pentru nucleele de diferite tipuri să răspundă la solicitări în frecvențele naturale ale unui nucleu dat: constantele giromagnetice variază foarte mult de la element la element, rezultând regiuni de excitabilitate total separate.

Spectroscopie: cum funcționează

Spectrometru RMN cu electromagnet supraconductor de 4,7 T și autosamplare, frecvență de rezonanță a protonului de 200 MHz

Spectrometru RMN cu electromagnet supraconductor de 21,2 T , frecvență de rezonanță a protonului 900 MHz

Scopul RMN este practic obținerea de informații cu privire la frecvența de rezonanță a nucleelor active. Cele mai utilizate sunt hidrogenul, carbonul-13 și azotul-15.

Există două metode de obținere a acestor informații. În spectroscopia RMN cu unde continue , un electromagnet generează câmpul magnetic necesar pentru a induce împărțirea între nivelurile de energie ale atomilor activi din eșantionul examinat. În același timp, un emițător de unde electromagnetice îl bombardează la o frecvență foarte precisă. Câmpul magnetic al magnetului este apoi mărit pas cu pas: un detector înregistrează absorbanța probei la fiecare intensitate a câmpului, adică cât din radiația incidentă se pierde pe măsură ce trece prin mediu.

După cum s-a menționat mai sus, frecvența de rezonanță a unui nucleu activ este direct proporțională cu câmpul aplicat: pe măsură ce câmpul crește, cresc și frecvențele de rezonanță. Când frecvențele de rezonanță devin egale cu frecvența incidentă (care în schimb este constantă), atunci toți atomii capabili să facă acest lucru vor absorbi cantități de energie, iar absorbția măsurată va fi mai mare.

A doua metodă, utilizată de spectrometre mai moderne, constă în menținerea câmpului constant, în schimb creșterea frecvenței undei radio incidente.

Din punct de vedere practic, rezultatul este întotdeauna un grafic cu absorbanța pe axa y și o cantitate utilă pentru a defini energia furnizată pe axa x (vom reveni la unitatea de măsură a absciselor mai târziu).

Pentru ceea ce sa spus până acum, RMN ar fi o metodă analitică destul de inutilă. Fiecare nucleu activ ar rezona cu câmpul extern la frecvența sa și toți izotopii egali s-ar comporta în același mod.

Schimbare chimică

Același subiect în detaliu: schimbarea chimică .

În realitate, nucleii activi sunt scufundați într-un mediu chimic: sunt înconjurați de propriul nor electronic și de alți atomi și molecule, fiecare cu propriul nor electronic.

Câmpul magnetic aplicat induce, pe vecinătatea electronică a fiecărui nucleu, un câmp magnetic local opus (fenomen de inducție ). Cu alte cuvinte, norul electronic provoacă o modulație locală a câmpului aplicat, numită ecranare. Raza efectivă rămasă este: $B_{locale}=B_{0}(1-\sigma )$ ${\ displaystyle B_ {local} = B_ {0} (1- \ sigma)}$ ${\ displaystyle B_ {local} = B_ {0} (1- \ sigma)}$

Unde este $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este constanta ecranului nucleului (de obicei pozitivă, dar nu este exclus faptul că poate fi negativ).

Revizuirea formulei de frecvență Larmor:

$\nu =\gamma B_{0}(1-\sigma )/2\pi$ ${\ displaystyle \ nu = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma) / 2 \ pi}$ ${\ displaystyle \ nu = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma) / 2 \ pi}$

Adică, în funcție de vecinătatea chimică a unui anumit nucleu, frecvența de rezonanță poate fi mai mică cu un factor $1-\sigma$ ${\ displaystyle 1- \ sigma}$ ${\ displaystyle 1- \ sigma}$ , deoarece de obicei câmpul magnetic indus este opus celui aplicat. Observând poziția relativă a vârfurilor de absorbție, este posibil să se ia în considerare pe ecranul electronic asociat diferitelor nuclee care le-au generat.

Schimbarea chimică se obține prin corelarea scuturilor diferitelor nuclee cu un standard. În RMN de C-13 și proton se utilizează tetrametilsilan (în jargon, TMS).

model molecular al tetrametilsilanului

Atomul de siliciu este cel mai puțin electronegativ dintre cele trei elemente care alcătuiesc TMS (Si = 1,91; H = 2,1; C = 2,55), ceea ce justifică faptul că carbonul și hidrogenul sunt foarte protejate: se spune că siliciul este electron donator. Mai mult, datorită simetriei ridicate a moleculei, toți atomii de carbon și toți atomii de hidrogen sunt protejați în aceeași măsură.

Este $\sigma _{i}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {i}}$ $\ sigma _ {i}$ ecranul electronic asociat cu o anumită familie de protoni: va rezulta frecvența Larmor

$\nu _{i}=\gamma B_{0}(1-\sigma _{i})/2\pi$ ${\ displaystyle \ nu _ {i} = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma _ {i}) / 2 \ pi}$ ${\ displaystyle \ nu _ {i} = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma _ {i}) / 2 \ pi}$

În mod similar, dacă $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ _TMS este cel asociat cu protonii tetrametilsilanului,

$\nu _{TMS}=\gamma B_{0}(1-\sigma _{TMS})/2\pi$ ${\ displaystyle \ nu _ {TMS} = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma _ {TMS}) / 2 \ pi}$ ${\ displaystyle \ nu _ {TMS} = \ gamma B_ {0} (1- \ sigma _ {TMS}) / 2 \ pi}$

Distanța dintre cele două vârfuri de absorbție este atunci:

$\Delta \nu =\nu _{i}-\nu _{TMS}$ ${\ displaystyle \ Delta \ nu = \ nu _ {i} - \ nu _ {TMS}}$ ${\ displaystyle \ Delta \ nu = \ nu _ {i} - \ nu _ {TMS}}$

Prin urmare, schimbarea chimică obținută prin împărțirea acestei diferențe la frecvența de rezonanță a TMS:

$\delta =\Delta \nu /\nu _{TMS}$ ${\ displaystyle \ delta = \ Delta \ nu / \ nu _ {TMS}}$ ${\ displaystyle \ delta = \ Delta \ nu / \ nu _ {TMS}}$

Formula răspunde la o întrebare de acest tip: „Cât diferă frecvența de precesiune a protonilor de pe inelul benzenic de protonii de pe TMS?”. Răspunsul ar putea fi „0,000000727 părți la una”, sau „0,0000727%” sau, mult mai convenabil, „7,27 ppm” sau părți la milion (7,27 milioane de frecvențe TMS).

Această notație este foarte practică. În primul rând, pentru că evită să scrie numere cu prea multe cifre (frecvențele de rezonanță pot și trebuie să fie determinate cu mare precizie, deoarece nuanțele care trebuie înțelese pentru a distinge diferitele modulații locale sunt foarte fine). Apoi, pentru că stabilește un standard valabil în întreaga lume: singurele informații utile pentru a compara datele obținute de la două mașini sunt schimbarea chimică față de TMS.

RMN-COSY

Spectroscopia RMN-COZY ( COrrelation SpectroscopY ) este una dintre principalele tehnici de spectroscopie cu rezonanță magnetică nucleară bidimensională (2D-RMN) care permit investigații structurale ale moleculelor și care se bazează pe cuplarea spectrului RMN normal cu altul legat de o altă radiație pentru a obține un spectru bidimensional.

Achiziția datelor se bazează pe transformata Fourier aplicată la două impulsuri cu frecvențe diferite.

Spectrul obținut este, prin urmare, în trei dimensiuni, două spectre RMN sunt prezentate pe abscisă și ordonată, rezultând dintr-o analiză pe aceeași probă. Prin bidimensional , înțelegem că cele două frecvențe au două scale de timp independente diferite.

RMN-NOESY

Spectroscopia RMN-NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY ) este o tehnică bidimensională utilizată în domeniul biochimiei aplicate pentru studiul conformației proteinelor . Folosește efectul nuclear Overhauser pentru a determina ce protoni sunt apropiați în spațiu, chiar dacă nu sunt conectați direct.

Spectroscopia NOESY este, de asemenea, utilă pentru determinarea stereochimiei unei molecule dintr-un solvent, în timp ce cristalografia cu raze X este utilă pentru determinarea stereochimiei în stare solidă.

Notă

^ În realitate, din motive mecanice cuantice , câmpul generat de protonul rotativ nu corespunde acestui model simplu, totuși modelul propus îl aproximează cu suficientă precizie în scopul acestei discuții.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre spectroscopie prin rezonanță magnetică nucleară

linkuri externe

Biblioteca Spectrum de la Institutul Național Japonez de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST) , la riodb01.ibase.aist.go.jp .
Introducere în spectroscopie RMN , pe pianetachimica.it .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85093008 · GND (DE) 4075421-2 · BNF (FR) cb11959462q (data)

Portalul chimiei

Portalul de fizică

[1] În realitate, din motive mecanice cuantice , câmpul generat de protonul rotativ nu corespunde acestui model simplu, totuși modelul propus îl aproximează cu suficientă precizie în scopul acestei discuții.

[1]

V · D · M Imagistică prin rezonanță magnetică
Principii fizice și tehnologice	Rezonanta magnetica nucleara · k-spatiu · timpul de relaxare longitudinală · transversală timpul de relaxare · inducție liberă Decay · Parallel Acquisition · Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară · Diseminarea · schimbare chimică
Secvențe	Spin - echo · inversion recovery ( STIR · SPIR · DIR · FLAIR ) · Gradient echo · Turbo spin - echo · imagistica Echo-planare · -difuzie Weighted ( DTI ) · Susceptibilitatea-Ponderat · Perfuzie-Weighted ( DSC · DCE · ASL ) · Angio RM ( TOF · PC · CE-MRA ) · imagistică prin rezonanță magnetică funcțională ( BOLD )
Aplicații clinice	Rezonanță magnetică colangiopancreatografică · RM de sân · neurografie RM · Rezonanță magnetică a creierului · Rezonanță magnetică cardiacă · Angiografie RMN · elastografie de rezonanță magnetică
Alte	Biblioteca software FMRIB · Cartografiere statistică parametrică