RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR - [DePa] Departamento de...
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El nucleo de algunos átomos poseen “SPIN”.
SPIN DEL NUCLEO
Estos núcleos se comportan como si estuvieran girando.
Es como la propiedad de un electrón, que puede poser dos spins: +1/2 y -1/2 .
Cada núcleo de spin-activo tiene un número de spins definida por su número cuántico de spin, I.
….. no sabemos si realmente giran!
los números cuánticos de spin de algunos núcleos comunes…..
Elemento 1H 2H 12C 13C 14N 16O 17O 19F spin Nuclear No Cuántico 1/2 1 0 1/2 1 0 5/2 1/2 ( I ) No. Estados de spin 2 3 0 2 3 0 6 2
Números cuánticos de spin de algunos núcleos
Elementos con masa impar y/o número atómico impar Tienen la propiedad de “spin” nuclear.
El número de estados de “spin” es 2I + 1, donde I es el número cuántico de “spin”.
Los isótopos más abundantes de C y O no tienen espín.
EL PROTÓN
Aunque está aumentando el interés en otros núcleos, particularmente C-13, el núcleo de hidrógeno (protones) se estudia con más frecuencia, y dedicaremos nuestra atención a ello.
ESTADOS DE SPIN NUCLEAR - HIDRÓGENO
+ 1/2 - 1/2
Los dos estados son equivalentes en energía en ausencia de un campo magnético o un eléctrico.
+ +
El giro del núcleo cargado positivamente genera un
vector momento magnético, µ. µ
µ
DOS ESTADOS DE SPIN
NIVELES DE ENERGÍA DE SPIN NUCLEAR
Bo
+1/2
-1/2
En un campo magnético fuerte (Bo) el spin de los dos estados difieren en energía.
alineado
sin alinear
N
S
Absorción de Energía
Bo
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
∆E = hν ∆E
cuantizada
Radiofrecuencia
Campo aplicado
alineado
opuesto
Bo
∆E
+ 1/2
- 1/2
= kBo = hν degenerado a Bo = 0
fuerza del campo magnético
LA SEPARACIÓN DE E DEPENDE DE Bo
La ecuación de Larmor!!!
γB0 ν = 2π
γ ν = 2π
Bo
γ es una constante que es diferente para cada nucleo (H, C, N, etc)
∆E = kBo = hν se transforma en
Relación giromagnética
γ
Fuerza del campo magnético
frecuencia de la radiación entrante que provocara una transición
CUANDO SE COLOCA UN ÁTOMO DE HIDRÓGENO CON UN SPIN-ACTIVO UN CAMPO MAGNÉTICO FUERTE
….. COMIENZA A PRECESAR
EL EFECTO SECUNDARIO DE UN CAMPO MAGNÉTICO FUERTE
LA OPERACIÓN DE UN ESPECTRÓMETRO DE RMN DEPENDE DE SUS RESULTADOS
N
S
ω El nucleo precesa con una frecuencia
ω al colocarlo en un campo magnético fuerte.
hν
Si ν = ω entonces la energía será absorbida y el spin se invierte .
RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR
RMN
RADIOFREQCUENCIA 40 - 600 MHz
1H 99.98% 1.00 42.6 267.53 1.41 60.0 2.35 100.0 7.05 300.0 2H 0.0156% 1.00 6.5 41.1 7.05 45.8 13C 1.108% 1.00 10.7 67.28 2.35 25.0 7.05 75.0 19F 100.0% 1.00 40.0 251.7
Frecuencias de Resonancia Isótopo Abundancia Bo (Tesla) Frecuencia(MHz) γ(radians/Tesla)
4:1
La intensidad de la señal en RMN depende de la Diferencia de Poblaciones de los dos estados de spins
resonancia emisión inducida
oblación en exceso
La radiación induce transiciones hacia abajo o hacia arriba.
Para una señal positiva neta debe haber un exceso de spins en el estado de baja energía. Saturación = poblaciones iguales = no hay señal
POBLACIÓN E INTENSIDAD DE SEÑAL
Un espectrómetro simple de 60 MHz
Transmitter Receiver
Sonda
hν
S N
RF Detector Registrador
RF (60 MHz) Oscilador
~ 1.41 Tesla (+/-) unos pocos ppm
Señal de absorción
MAGNETO MAGNETO
Afortunadamente, los diferentes tipos de protones precesionan a diferentes valores.
N
S
CH2 C
O
CH3
59.999995 MHz
59.999820 MHz
59.999700 MHz
hν 60 MHz
Para provocar la absorción de la energía a 60 MHz la intensidad de campo magnético, Bo, debe aumentarse a un valor diferente para cada tipo de protones.
Bo = 1.41 Tesla
Las diferencias son muy pequeñas, en el intervalo de partes por millón.
EJEMPLO:
BARRIDO
CAMPO ALTO
CAMPO BAJO
CAMPO ALTO CAMPO BAJO
EN LA RMN CLÁSICA EL INSTRUMENTO BARRE DE "CAMPO BAJO" A "CAMPO ALTO"
ESCALA DE RMN
CH2 C
O
CH3
NOTE QUE CADA TIPO DIFERENTE DE PROTON APARECE EN UN LUGAR DIFERENTE - PUEDE INDICAR CUÁNTOS TIPOS DIFERENTES DE HIDRÓGENO HAY???
Espectro de Fenilacetona
INSTRUMENTACIÓN MODERNA
TECNOLOGÍA DE TRANSFORMADA DE FOURIER PULSADA
Requiere de una computadora FT-RMN
EXCITACIÓN PULSADA
CH2 C
O
CH3
PULSO DE RF DE BANDA ANCHA
Todos los tipos de hidrógeno son excitados simultáneamente con el pulso de RF.
Contiene varias radiofrecuencias
N
S
ν1
ν2
ν3
(ν1 ..... νn)
CH2 C
O
CH3
DECAIMIENTO INDUCIDO LIBRE FID ( relajación )
ν1
ν2
ν3
ν1, ν2, ν3 tienen diferentes vidas media
TRANSFORMADA DE FOURIER Una técnica matemática que resuelve una señal FID compleja en las frecuencias individuales que se sumaron para generarla.
SEÑAL COMPLEJA ν1 + ν2 + ν3 + ......
computadora
Transformada fourier
FT-RMN
frecuenciasl individuales
DOMINIO TIEMPO DOMINIO FRECUENCIA
una mezcla de frecuencias en decayendo (en tiempo)
convertida a
Convertidas en espectro
FID ESPECTRO RMN
DOMINIO TÉRMINO MATEMÁTICO
El FID compuesto se transforma en un espectro de RMN clásico:
CH2 C
O
CH3
espectro “dominio frecuencia”
MÉTODO ONDA CONTINUA (OC)
El campo magnético se “BARRE" de campo bajo a campo alto mientras que un haz constante de radiofrecuencia (onda continua) irradía con una frecuencia fija (decir 100 MHz).
Este método requiere de varios minutos para graficar en espectro de RMN.
EL VIEJO MÉTODO CLÁSICO
LENTO, MUCHO “RUIDO”
METODO DE TRANSFORMADA DE FOURIER PULSADA (FT)
EL NUEVO MÉTODO FT - COMPUTADORA
El pulso de excitación, la colección de datos (FID), y la operación de FT (computadora) toma unos cuantos segundos.
Muchos protones se relajan (decaen) de sus estados excitados rápidamente (segundos).
El pulso y la colección de datos se puede ciclar y repetirse cada pocos segundos
Se pueden hacer muchas repeticiones en muy poco tiempo, llevando a mejorar la señal…..
RÁPIDA BAJO RUIDO