Articulo de referencia

Espectrómetro de resonancia magnética nuclear de sobremesa

Un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de sobremesa ( espectrómetro RMN de sobremesa ) es un espectrómetro de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier ...

Un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de sobremesa ( espectrómetro RMN de sobremesa ) es un espectrómetro de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier (FT-NMR) significativamente más compacto y portátil que los modelos convencionales, pudiendo ubicarse sobre una mesa de laboratorio. Esta ventaja radica en el uso de imanes permanentes, que presentan un campo magnético menor y una sensibilidad reducida en comparación con los imanes superconductores de RMN criogénicos, mucho más grandes y costosos. En lugar de requerir infraestructura, salas e instalaciones complejas, estos instrumentos de sobremesa pueden colocarse directamente sobre la mesa del laboratorio y trasladarse según sea necesario ( por ejemplo, a la campana de extracción). Estos espectrómetros optimizan el flujo de trabajo, incluso para usuarios principiantes, gracias a su sencillez y facilidad de uso. Se diferencian de los relaxómetros en que permiten medir espectros RMN de alta resolución y no se limitan a la determinación de parámetros de relajación o difusión ( por ejemplo, T1, T2 y D).

Desarrollo de imanes

La primera generación de espectrómetros de RMN utilizaba grandes electroimanes que pesaban cientos de kilogramos o más. En las décadas de 1960 y 1970 se desarrollaron sistemas de imanes permanentes ligeramente más pequeños, con frecuencias de resonancia de protones de 60 y 90 MHz , que se utilizaron ampliamente para el análisis químico mediante métodos de onda continua . Sin embargo, estos imanes permanentes seguían pesando cientos de kilogramos y no podían colocarse sobre una mesa de laboratorio. Se desarrollaron imanes superconductores para lograr campos magnéticos más potentes, lo que permitió una mayor resolución y una mayor sensibilidad. No obstante, estos imanes superconductores son caros, voluminosos y requieren instalaciones especializadas. [ 1 ] Además, los criógenos necesarios para los superconductores son peligrosos y representan un coste de mantenimiento constante. [ 2 ] [ 3 ] Por consiguiente, estos instrumentos suelen instalarse en salas o instalaciones dedicadas a la RMN para su uso por múltiples grupos de investigación. 

Desde principios de la década de 2000 se ha producido un renacimiento en la tecnología y el diseño de imanes permanentes, [ 4 ] con avances suficientes para permitir el desarrollo de instrumentos de RMN mucho más pequeños con una resolución y sensibilidad útiles para la educación, la investigación y las aplicaciones industriales. [ 5 ] Los ferromagnetos duros de samario-cobalto y neodimio han reducido el tamaño de los imanes permanentes de RMN, y se han alcanzado campos de hasta 2,9 T, correspondientes a una  frecuencia de Larmor de protón de 125 MHz. Estos diseños, que operan con temperaturas de imán desde la temperatura ambiente hasta los 60  °C, permiten fabricar instrumentos lo suficientemente pequeños como para caber en una mesa de laboratorio y son seguros para operar en un entorno de laboratorio típico. Solo requieren alimentación local monofásica y, con sistemas UPS, pueden hacerse portátiles y realizar análisis de RMN en diferentes puntos de un área de fabricación.

Desventajas de los imanes pequeños y métodos para superarlas

Una de las mayores desventajas de los espectrómetros de RMN de campo bajo (0,3-1,5 T) es la dependencia de la temperatura de los imanes permanentes utilizados para producir el campo magnético principal. Para imanes pequeños, existía la preocupación de que la intensidad de los campos magnéticos externos pudiera afectar negativamente al campo principal; sin embargo, el uso de materiales de blindaje magnético dentro del espectrómetro elimina este problema. Los espectrómetros disponibles actualmente se pueden trasladar fácilmente de un lugar a otro, incluidos algunos que están montados en carros portátiles con fuentes de alimentación continuas. [ 6 ] Otra dificultad relacionada es que los espectrómetros disponibles actualmente no admiten temperaturas elevadas de muestra que pueden ser necesarias para algunas mediciones in situ en reacciones químicas.

Un artículo reciente sugiere que una configuración experimental especial, con dos o más bobinas y osciladores síncronos, puede ayudar a superar este problema [ 7 ] y permitirle trabajar con campos magnéticos inestables y con osciladores asequibles.

Los espectros de RMN adquiridos a campo bajo sufren de menor dispersión de señal, lo que también conduce a espectros más complejos con señales superpuestas y efectos de orden superior. [ 8 ] La interpretación completa de dichos espectros requiere análisis espectral mecánico cuántico computacional, [ 9 ] para espectros de RMN 1H-1D también conocido como HiFSA. [ 10 ]

Aplicaciones

La espectroscopia de RMN se puede utilizar para análisis químicos, [ 11 ] [ 12 ] monitorización de reacciones, [ 13 ] y experimentos de control/garantía de calidad. Los instrumentos de campo alto permiten una resolución sin precedentes para la determinación de estructuras, particularmente para moléculas complejas. Los instrumentos de campo medio y bajo, más económicos, robustos y versátiles, tienen suficiente sensibilidad y resolución para la monitorización de reacciones y análisis de control/garantía de calidad. [ 1 ] Por lo tanto, la tecnología de imanes permanentes ofrece el potencial de extender la accesibilidad y disponibilidad de la RMN a instituciones que no tienen acceso a espectrómetros superconductores ( por ejemplo, estudiantes de pregrado principiantes [ 14 ] o pequeñas empresas).

En la última década se han desarrollado numerosas aplicaciones automatizadas que utilizan análisis estadísticos multivariados ( quimiometría ) para derivar correlaciones entre estructura y propiedad, así como entre propiedades químicas y físicas,  a partir de espectros de RMN de 1H de 60 MHz y datos de análisis primarios, especialmente para aplicaciones de control de procesos petroleros y petroquímicos. [ 15 ] [ 16 ]

Espectrómetros de RMN de sobremesa disponibles

El desarrollo de esta nueva clase de espectrómetros comenzó a mediados de la década de 2000, lo que la convierte en una de las últimas técnicas de espectroscopia molecular disponibles para su uso sobremesa.

Spinsolve

El instrumento Spinsolve de Magritek , con sede en Nueva Zelanda y Alemania , opera a 90  MHz, [ 17 ] 80  MHz, [ 18 ] y 60  MHz, [ 19 ] ofrece una sensibilidad y resolución muy buenas, inferiores a 0,4  Hz, y pesa 115  kg, 73  kg y 60  kg respectivamente. El modelo ULTRA [ 20 ] tiene una resolución aún mayor de 0,2  Hz con una forma de línea de 0,2  Hz/ 6  Hz/ 12  Hz comparable a las especificaciones de RMN de alto campo. Se pueden medir 1H Protón, 19F Flúor, 13C Carbono, 31P Fósforo y otros núcleos X como 7Li, 23Na, 29Si y otros. Se pueden incluir múltiples núcleos X en un solo espectrómetro, sin pérdida de sensibilidad, utilizando la opción Multi X. [ 21 ] Se puede adquirir una amplia gama de espectros de RMN, incluyendo 1D, 1D con desacoplamiento, supresión de solvente , DEPT, T1, T2 y 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COSY y JRES . Se incluyen gradientes de campo pulsado para espectroscopia, y también se pueden agregar gradientes de campo pulsado de difusión opcionales [ 22 ] . El imán está estabilizado con un bloqueo externo, lo que significa que no requiere el uso de solventes deuterados . Se dispone de un accesorio de monitoreo de reacción en línea mediante una celda de flujo y un automuestreador. Las muestras se miden utilizando tubos de RMN  estándar de 5 mm y el espectrómetro se controla a través de una computadora externa donde se lleva a cabo la adquisición y el procesamiento de datos de RMN estándar.

picoSpin

En 2009, picoSpin LLC , con sede en Boulder, Colorado, lanzó el primer espectrómetro de RMN de sobremesa, el picoSpin 45 . Un espectrómetro pequeño (7 x 5,75 x 11,5”) de 45  MHz con buena resolución (< 1,8  Hz) y sensibilidad de rango medio a bajo que pesa 4,76  kg (10,5  lbs) y puede adquirir espectros 1D 1H o 19F. PicoSpin fue adquirido por Thermo Fisher Scientific en diciembre de 2012 y posteriormente renombrado como Thermo Scientific picoSpin 45. [ 23 ] En lugar de los tubos de RMN estáticos tradicionales de 5  mm, el espectrómetro picoSpin 45 utiliza un sistema de flujo continuo que requiere la inyección de la muestra en un capilar  de cuarzo y PTFE de 0,4 mm de diámetro interno . [ 24 ] Los disolventes deuterados son opcionales debido a la presencia de un bloqueo de software. Solo necesita un navegador web en cualquier ordenador externo o dispositivo móvil para su control, ya que el espectrómetro tiene una placa de servidor web integrada ; no se requiere software instalado en un PC dedicado. En agosto de 2013 se presentó una segunda versión, el Thermo El Scientific picoSpin 80 funciona a 82 MHz con una resolución de 1,2 Hz y diez veces la sensibilidad del picoSpin 45 original .  

Análisis

Nanalysis Corp, con sede en Calgary, Alberta, Canadá, ofrece dos plataformas de RMN de sobremesa: de 60 y 100  MHz, que equivalen a 1,4 T y 2,35 T, respectivamente. Los espectrómetros se encuentran en una carcasa integrada (imán, electrónica y ordenador con pantalla táctil), lo que facilita su ubicación. Además, todos los sistemas pueden controlarse localmente o de forma remota mediante un ordenador externo, según las preferencias del usuario. El modelo de 60  MHz es el más pequeño  del mercado, con un peso aproximado de 25  kg, mientras que el de 100  MHz pesa algo menos de 100  kg.

Ambas plataformas vienen en un modelo 'e', ​​que puede adquirir 1H/19F, o en un modelo 'PRO' que observa 1H/19F/X (donde X lo define el cliente, pero suele ser 7Li, 11B, 13C, 31P). Dependiendo del modelo del instrumento, puede realizar experimentos 1D 1H, 13C{1H}, 19F, 31P, 31P{1H}, COSY, JRES, DEPT, APT, HSQC, HSQC-ME, HMBC, T1 y T2. Los espectrómetros utilizan tubos de RMN estándar de 5 mm y son compatibles con la mayoría de los paquetes de software de RMN de terceros.

Nanalysis adquirió RS2D en 2020, ampliando así su cartera de tecnología de resonancia magnética para incluir su avanzada tecnología cameleon4, consolas de RMN, resonancia magnética preclínica y líneas de productos de RM. En 2021, Nanalysis también adquirió la empresa de software One Moon Scientific, con sede en Nueva York, para ofrecer procesamiento de datos rutinario y de alto rendimiento, así como para ampliar el análisis de datos de RMN, incluyendo aprendizaje automático, construcción de bases de datos y algoritmos de búsqueda.

X-Pulse / Pulsar

En 2019, Oxford Instruments lanzó un nuevo  espectrómetro de 60 MHz llamado X-Pulse. [ 25 ] Este instrumento es una mejora significativa con respecto al sistema Pulsar anterior, lanzado en 2013. X-Pulse tiene la resolución más alta, de serie (<0,35  Hz / 10  Hz) de los analizadores de RMN de sobremesa sin criógeno disponibles actualmente. Incorpora un  imán permanente de tierras raras de 60 MHz. X-Pulse es el único sistema de RMN de sobremesa que ofrece un canal X de banda ancha completo, lo que permite la medición de 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B y 23Na en una sola sonda. Se puede realizar una amplia gama de mediciones 1D y 2D en todos los núcleos, espectros 1D, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES y muchos otros, incluyendo supresión de disolvente y excitación selectiva. X-Pulse también ofrece opciones para RMN de flujo y una sonda de temperatura variable que permite la medición de muestras en tubos de RMN a temperaturas de 20  °C a 60  °C. El imán y el espectrómetro se encuentran en dos cajas separadas; el imán pesa 149  kg [ 26 ] y la electrónica, 22  kg. X-Pulse requiere una fuente de alimentación eléctrica estándar y utiliza tubos de RMN estándar de 5 mm. El control del instrumento se realiza mediante el paquete de flujo de trabajo SpinFlow, mientras que el procesamiento y la manipulación de datos se llevan a cabo mediante paquetes de software de RMN de terceros. Los instrumentos Pulsar se descontinuaron en 2019 tras el lanzamiento de X-Pulse.

Bruker

En 2019, Bruker , fabricante con larga trayectoria y líder del mercado en máquinas de RMN de alto rendimiento, presentó un espectrómetro de RMN de sobremesa, el Fourier 80 FT-NMR. El equipo utiliza imanes permanentes y funciona con el software estándar de Bruker (una versión completa del software TopSpin 4 para Windows y Linux; así como una API basada en Python para Windows y Linux; y una aplicación simplificada llamada GoScan). El equipo se puede configurar para espectros de 1H y 13C (posiblemente más mediante un pedido personalizado) en modos 1D y 2D, y opera a 80  MHz (1,88  T). El equipo pesa aproximadamente 93  kg y consume menos de 300 W durante su funcionamiento. [ 27 ]

Q Magnetismo

A finales de 2021, Q Magnetics presentó el QM-125,  un espectrómetro de RMN de sobremesa de 1H de 125 MHz (2,9 T) con una resolución superior a 0,5  Hz. [ 28 ] El instrumento está contenido en una única carcasa con una masa de 28  kg y se conecta a un ordenador de control mediante una interfaz USB. El espectrómetro QM-125 no requiere que el usuario transfiera previamente su muestra a un tubo de RMN. Puede utilizarse de dos maneras: un modo manual en el que se extrae una muestra de una fuente con una jeringa y se inyecta en el espectrómetro; y un modo automatizado o acoplado, en el que la muestra se suministra a la bobina de RF mediante flujo desde otro instrumento. Otras características que permiten su uso en aplicaciones automatizadas y acopladas son el ajuste estable del campo magnético, el software de control de código abierto Python y las conexiones de fluidos en el panel frontal. Su consumo de energía inferior a 50 W y su coste relativamente bajo facilitan su integración en aplicaciones verticales y especializadas.

Referencias

  1. 1 2 Dalitz, F., Cudaj, M. Maiwald, M., Guthausen, G. Prog. Nuc. revista Res. Especulación. 2012, 60, 52-70
  2. Tuttle, Brad. "Los precios del helio se disparan, dejando las ventas de globos desinfladas" . Time . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  3. DiChristina, Mariette. "La inminente escasez de helio" . Blogs.scientificamerican.com . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  4. ^ Danieli E., Mauler J., Perlo J., Blümich B., Casanova F., J Mag. Res. 2009, 198 (1), 80–87
  5. ^ Danieli E., Perlo J., Blümich B., Casanova F., Angewandte Chemie 2010, 49 (24), 4133–4135
  6. "El espectrómetro de RMN de sobremesa móvil Spinsolve facilita la enseñanza de pregrado | Magritek" . www.magritek.com . 9 de agosto de 2015. Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  7. Ibragimova, Elena; Ibragimov, Ilgis (2017). "El espectrómetro de RMN ELEGANT". arXiv : 1706.00237 [ physics.ins-det ].
  8. "Efectos de segundo orden en sistemas acoplados" .
  9. Stephenson, David S., y Gerhard Binsch. «Análisis automatizado de espectros de RMN de alta resolución. I. Principios y estrategia computacional». Journal of Magnetic Resonance 37.3 (1980): 395-407
  10. Napolitano, José G., et al. "Análisis espectral completo de RMN de 1H de diez marcadores químicos de Ginkgo biloba." Magnetic Resonance in Chemistry 50.8 (2012): 569-575
  11. Jacobsen, NE, “Espectroscopia RMN explicada: teoría simplificada, aplicaciones y ejemplos para química orgánica y biología estructural”, 2007, John Wiley & Sons, Inc.: Hoboken, Nueva Jersey.
  12. Friebolin, H. “Espectroscopia RMN básica unidimensional y bidimensional”, 5.ª edición, 2011, Wiley-VCH: Alemania
  13. Berger, S.; Braun, S.; “200 y más experimentos de RMN: un curso práctico” 2004 Wiley-VCH: Alemania
  14. "Experimentos de muestra de análisis para la enseñanza de RMN a estudiantes de pregrado" . Archivado del original el 21 de agosto de 2013. Consultado el 10 de junio de 2013 .
  15. “Espectroscopia RMN de procesos: tecnología y aplicaciones en línea”, John C. Edwards y Paul J. Giammatteo, Capítulo 10 en Tecnología analítica de procesos: herramientas espectroscópicas y estrategias de implementación para las industrias química y farmacéutica, 2.ª ed., editora Katherine Bakeev, Blackwell-Wiley, 2010
  16. “Una revisión de las aplicaciones de la espectroscopia de RMN en la química del petróleo”, John C. Edwards, Capítulo 16 en la Monografía 9 sobre análisis espectroscópico de productos petrolíferos y lubricantes, Editor: Kishore Nadkarni, ASTM Books, 2011.
  17. Magritek. "Spinsolve 90" .
  18. Magritek. "Descarga del folleto del espectrómetro de RMN de sobremesa Spinsolve 80" . Go.magritek.com . Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  19. Magritek. "Spinsolve 60" .
  20. Magritek. "Descarga del folleto del espectrómetro de RMN de sobremesa Spinsolve ULTRA" . Go.magritek.com . Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  21. "Núcleos X múltiples" .
  22. "Gradientes de PDF de difusión" .
  23. "Sala de prensa corporativa de Thermo Fisher Scientific" . News.thermofisher.com . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  24. "Preguntas frecuentes sobre Thermo Fisher Scientific picoSpin" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 17/10/2021 . Consultado el 17/10/2021 .
  25. "X-Pulse es el primer sistema de RMN de sobremesa del mundo que ofrece verdadera capacidad multinuclear - Resonancia Magnética" . Oxford Instruments . Consultado el 18 de febrero de 2020 .
  26. "Hoja de especificaciones del Oxford Pulsar" (PDF) . Acs.expoplanner.com . Archivado del original (PDF) el 7 de agosto de 2017.
  27. "RMN de sobremesa | Espectrómetro | Resonancia Magnética Nuclear" . Bruker.com . Consultado el 12 de agosto de 2020 .
  28. Q Magnetics. "QM-125" .
Obtenido de " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Benchtop_nuclear_magnetic_resonance_spectrometer&oldid=1361631335 "