Resonancia magnética nuclear

Todos los nucleones, es decir, neutrones y protones , que componen cualquier núcleo atómico , poseen la propiedad cuántica intrínseca del espín , un momento angular intrínseco análogo al momento angular clásico de una esfera giratoria. El espín total del núcleo está determinado por el número cuántico de espín S. Si el número de protones y neutrones en un nucleido dado es par, el sistema tiende a minimizar su espín, lo que da S = 0 , es decir, no hay espín total. Entonces, al igual que los electrones se emparejan en orbitales atómicos no degenerados , también lo hacen los números pares de protones o neutrones (ambos son partículas de espín 1/2 y , por lo tanto , fermiones ), lo que da un espín total cero.

Sin embargo, un protón y un neutrón no apareados tendrán una energía menor cuando sus espines sean paralelos, no antiparalelos. Esta alineación de espines paralelos de partículas distinguibles no viola el principio de exclusión de Pauli . La disminución de la energía para espines paralelos tiene que ver con la estructura de quarks de estos dos nucleones. Como resultado, el estado fundamental de espín para el deuterón (el núcleo de deuterio , el isótopo ^2H del hidrógeno), que tiene solo un protón y un neutrón, corresponde a un valor de espín de 1 , no de cero . Por otro lado, debido al principio de exclusión de Pauli, el isótopo tritio del hidrógeno debe tener un par de neutrones de espín antiparalelo (de espín total cero para el par de espines de neutrones), más un protón de espín 1/2 . Por lo tanto, el valor del espín nuclear total del tritio es nuevamente 1/2 , al igual que el isótopo de hidrógeno más simple y abundante, el núcleo ^{1H (el} protón ). La frecuencia de absorción de RMN para el tritio también es similar a la del ^1H . En muchos otros casos de núcleos no radiactivos , el espín total también es distinto de cero y puede tener una contribución del momento angular orbital del nucleón desapareado . Por ejemplo, el ²⁷El núcleo de Al tiene un valor de espínglobal S = 5 / 2 .

Un giro distinto de cero${\displaystyle {\vec {S}}}$está asociado con un momento dipolar magnético distinto de cero ,${\displaystyle {\vec {\mu }}}$, a través de la relación$${\displaystyle {\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}}$$donde γ es la relación giromagnética . Clásicamente, esto corresponde a la proporcionalidad entre el momento angular y el momento dipolar magnético de una esfera cargada en rotación, ambos vectores paralelos al eje de rotación cuya longitud aumenta proporcionalmente a la frecuencia de rotación. Es el momento magnético y su interacción con los campos magnéticos lo que permite la observación de la señal de RMN asociada con las transiciones entre los niveles de espín nuclear durante la irradiación de RF resonante o causada por la precesión de Larmor del momento magnético promedio después de la irradiación resonante. Los nucleidos con número par de protones y neutrones tienen momento dipolar magnético nuclear cero y, por lo tanto, no presentan señal de RMN. Por ejemplo, ¹⁸O es un ejemplo de un nucleido que no produce señal de RMN, mientras que ¹³C , ³¹P , ³⁵Cl y ³⁷Los Cl son nucleidos que sí presentan espectros de RMN. Los dos últimos núcleos tienen espín S > 1/2 y , por lo tanto , son núcleos cuadrupolares.

La resonancia de espín electrónico (ESR) es una técnica relacionada que detecta transiciones entre niveles de espín electrónico en lugar de nuclear. Los principios básicos son similares, pero la instrumentación, el análisis de datos y la teoría detallada difieren significativamente. Además, existe un número mucho menor de moléculas y materiales con espines electrónicos desapareados que presentan absorción por ESR (o resonancia paramagnética electrónica (EPR)) que aquellos con espectros de absorción por RMN. Por otro lado, la ESR ofrece una señal por espín mucho mayor que la RMN.

El espín nuclear es un momento angular intrínseco que está cuantizado. Esto significa que la magnitud de este momento angular está cuantizada (es decir, S solo puede tomar un rango restringido de valores), y también que las componentes x, y y z del momento angular están cuantizadas, estando restringidas a múltiplos enteros o semi-enteros de ħ , la constante de Planck reducida . El número cuántico entero o semi-entero asociado con la componente de espín a lo largo del eje z o el campo magnético aplicado se conoce como número cuántico magnético , m , y puede tomar valores desde + S hasta −S , en pasos enteros. Por lo tanto , para cualquier núcleo dado, hay un total de 2S + 1 estados de momento angular.

La componente z del vector de momento angular (${\displaystyle {\vec {S}}}$) es, por lo tanto, S _z = mħ . La componente z del momento magnético es simplemente:$${\displaystyle \mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .}$$

Energía de espín en un campo magnético

Consideremos núcleos con un espín de un medio, como ¹H , ¹³C o ¹⁹F. Cada núcleo tiene dos estados de espín linealmente independientes, con m = 1/2 om = −1/2 ( también denominados espín hacia arriba y hacia abajo , o a veces estados de espín α y β , respectivamente) para la componente z del espín. En ausencia de un campo magnético, estos estados son degenerados; es decir, tienen la misma energía. Por lo tanto , el número de núcleos en estos dos estados será esencialmente igual en el equilibrio térmico .

Sin embargo, si un núcleo con espín se coloca en un campo magnético, los dos estados ya no tienen la misma energía como resultado de la interacción entre el momento dipolar magnético nuclear y el campo magnético externo. La energía de un momento dipolar magnético${\displaystyle {\vec {\mu }}}$En un campo magnético B ₀ viene dado por:$${\displaystyle E=-{\vec {\mu }}\cdot \mathbf {B} _{0}=-\mu _{x}B_{0x}-\mu _{y}B_{0y}-\mu _{z}B_{0z}.}$$

Normalmente, el eje z se elige a lo largo de B ₀ , y la expresión anterior se reduce a: $${\displaystyle E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\,,}$$ o alternativamente: $${\displaystyle E=-\gamma m\hbar B_{0}\,.}$$

Como resultado, los distintos estados de espín nuclear tienen energías diferentes en un campo magnético distinto de cero. En términos menos formales, podemos decir que los dos estados de espín de un espín ⁠ 1 / 2 ⁠ están alineados con el campo magnético o en contra de él. Si γ es positivo (lo cual es cierto para la mayoría de los isótopos utilizados en RMN), entonces m = ⁠ 1 / 2 ⁠ ("espín hacia arriba") es el estado de menor energía.

La diferencia de energía entre los dos estados es: $${\displaystyle \Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\,,}$$ Esto da como resultado un pequeño sesgo de población que favorece el estado de menor energía en equilibrio térmico. Con más espines apuntando hacia arriba que hacia abajo, se produce una magnetización de espín neta a lo largo del campo _magnético B₀ .

_{El proceso de relajación de la población nuclear} se refiere al retorno de los espines nucleares al equilibrio termodinámico en el imán. Este proceso también se denomina _relajación T1 , relajación espín-red o relajación magnética longitudinal, donde T1 se refiere al tiempo medio que tarda un núcleo individual en regresar a su estado de equilibrio térmico de espines. Una vez que la población de espines nucleares se ha relajado, puede ser analizada nuevamente, ya que se encuentra en el estado inicial de equilibrio (mixto).

Los núcleos en precesión también pueden desalinearse entre sí y dejar de producir una señal gradualmente. Esto se denomina T₂ , _relajación espín-espín o relajación transversal . Debido a la diferencia en los mecanismos de relajación involucrados (por ejemplo, interacciones dipolo-dipolo magnéticas intermoleculares frente a intramoleculares), T₁ suele ser (salvo raras excepciones) más largo que T₂ (es decir, relajación espín-red más lenta, por ejemplo, debido a menores efectos de interacción dipolo-dipolo). En la práctica, el valor de _{T₂ *} , _que es el tiempo de decaimiento observado de la señal de RMN, o decaimiento de inducción libre (hasta 1 / e de la amplitud inicial inmediatamente después del pulso de RF resonante), también depende de la inhomogeneidad del campo magnético estático, que puede ser bastante significativa. (También existe una contribución menor , pero significativa , al acortamiento observado de la FID debido a la inhomogeneidad de RF del pulso resonante). En el espectro FT-NMR correspondiente —es decir, la _transformada de Fourier _de la desintegración de inducción libre— el ancho de la señal de RMN en unidades de frecuencia es inversamente proporcional al tiempo T₂ *. Por lo tanto, un núcleo con un tiempo de relajación T₂ * largo produce un pico de RMN muy nítido en el espectro FT-NMR para un campo magnético estático muy homogéneo ( "bien ajustado" ), mientras que los núcleos con valores de T₂* más cortos _producen picos FT-NMR anchos incluso cuando el imán está bien ajustado. Tanto T₁ como T₂ dependen de la velocidad de los movimientos moleculares, así como de las relaciones giromagnéticas tanto del _núcleo resonante como de sus núcleos vecinos más cercanos que interactúan fuertemente y que no están en resonancia _.

Un experimento de decaimiento de eco de Hahn puede utilizarse para medir el tiempo de desfase, como se muestra en la animación. Se registra el tamaño del eco para diferentes espaciamientos entre los dos pulsos. Esto revela la decoherencia que no se reenfoca con el pulso de 180°. En casos sencillos, se mide un _decaimiento exponencial que se describe mediante el tiempo T₂ .

En las primeras décadas de la resonancia magnética nuclear, los espectrómetros utilizaban una técnica conocida como espectroscopia de onda continua (CW), en la que la magnetización de espín transversal generada por un campo magnético oscilante débil se registra en función de la frecuencia de oscilación o la intensidad del campo estático B₀ _. ^{[ 12 ]} Cuando la frecuencia de oscilación coincide con la frecuencia de resonancia nuclear, la magnetización transversal se maximiza y se observa un pico en el espectro. Si bien los espectros de RMN podían obtenerse, y de hecho se han obtenido, utilizando un campo magnético constante fijo y variando la frecuencia del campo magnético oscilante, resultaba más conveniente utilizar una fuente de frecuencia fija y variar la corriente (y, por lo tanto, el campo magnético) en un electroimán para observar las señales de absorción resonante. Este es el origen de la terminología, contraintuitiva pero aún común, de "campo alto" y "campo bajo" para las regiones de baja y alta frecuencia, respectivamente, del espectro de RMN.

En 1996, los instrumentos CW todavía se usaban para trabajos rutinarios porque los instrumentos más antiguos eran más baratos de mantener y operar, a menudo operando a 60  MHz con electroimanes correspondientemente más débiles (no superconductores) enfriados con agua en lugar de helio líquido. Una bobina de radio operaba continuamente, barriendo a través de un rango de frecuencias, mientras que otra bobina ortogonal , diseñada para no recibir radiación del transmisor, recibía señales de núcleos que se reorientaban en solución. ^{[ 27 ]} En 2014, los sistemas reacondicionados de gama baja de 60  MHz y 90  MHz se vendían como instrumentos FT-NMR, ^{[ 28 ]} y en 2010 el instrumento NMR "caballo de batalla promedio" se configuró para 300  MHz. ^{[ 29 ]}

La espectroscopia CW es ineficiente en comparación con las técnicas de análisis de Fourier (véase más adelante), ya que analiza la respuesta de RMN en frecuencias o intensidades de campo individuales de forma sucesiva. Dado que la señal de RMN es intrínsecamente débil, el espectro observado presenta una baja relación señal-ruido . Esto puede mitigarse mediante el promedio de señales, es decir, sumando los espectros de mediciones repetidas. Si bien la señal de RMN es la misma en cada escaneo y, por lo tanto, se suma linealmente, el ruido aleatorio se suma más lentamente, proporcional a la raíz cuadrada del número de espectros añadidos (véase paseo aleatorio ). Por consiguiente, la relación señal-ruido global aumenta con la raíz cuadrada del número de espectros medidos. Sin embargo, el monitoreo de una señal de RMN a una sola frecuencia en función del tiempo puede ser más adecuado para estudios cinéticos que la espectroscopia de RMN de transformada de Fourier pulsada. ^{[ 30 ]}

La mayoría de las aplicaciones de RMN implican espectros completos de RMN, es decir, la intensidad de la señal de RMN en función de la frecuencia. Los primeros intentos de adquirir el espectro de RMN de forma más eficiente que con los métodos CW simples implicaban iluminar el objetivo simultáneamente con más de una frecuencia. Una revolución en la RMN se produjo cuando se empezaron a utilizar pulsos cortos de radiofrecuencia, con una frecuencia centrada en el medio del espectro de RMN. En términos sencillos, un pulso corto de una frecuencia "portadora" dada "contiene" un rango de frecuencias centrado alrededor de la frecuencia portadora , siendo el rango de excitación ( ancho de banda ) inversamente proporcional a la duración del pulso, es decir, la transformada de Fourier de un pulso corto contiene contribuciones de todas las frecuencias en la vecindad de la frecuencia principal. ^{[ 31 ]} El rango restringido de las frecuencias de RMN para la mayoría de los núcleos ligeros de espín 1/2 hizo relativamente fácil utilizar pulsos cortos de radiofrecuencia (1-100 microsegundos) para excitar todo el espectro de RMN.

La aplicación de un pulso de este tipo a un conjunto de espines nucleares excita simultáneamente todas las transiciones de RMN de un solo cuanto. En términos del vector de magnetización neto, esto corresponde a una inclinación del vector de magnetización respecto a su posición de equilibrio (alineada con el campo magnético externo). El vector de magnetización fuera de equilibrio precesa entonces alrededor del vector del campo magnético externo a la frecuencia de RMN de los espines. Este vector de magnetización oscilante induce un voltaje en una bobina captadora cercana, creando una señal eléctrica que oscila a la frecuencia de RMN. Esta señal se conoce como decaimiento de inducción libre (FID) y contiene la suma de las respuestas de RMN de todos los espines excitados. Para obtener el espectro de RMN en el dominio de la frecuencia (intensidad de absorción de RMN frente a frecuencia de RMN), esta señal en el dominio del tiempo (intensidad frente a tiempo) debe transformarse mediante la transformada de Fourier. Afortunadamente, el desarrollo de la RMN por transformada de Fourier (FT) coincidió con el desarrollo de las computadoras digitales y la transformada rápida de Fourier digital (FFT). Los métodos de Fourier pueden aplicarse a muchos tipos de espectroscopia. Richard R. Ernst fue uno de los pioneros de la RMN pulsada y ganó el Premio Nobel de Química en 1991 por su trabajo sobre la RMN de transformada de Fourier y el desarrollo de la espectroscopia de RMN multidimensional.

El uso de pulsos de diferentes duraciones, frecuencias o formas en patrones o secuencias de pulsos diseñados específicamente permite producir un espectro que contiene muchos tipos diferentes de información sobre las moléculas en la muestra. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear multidimensional, hay al menos dos pulsos: uno conduce a la señal detectada directamente y los otros afectan la magnetización inicial y el estado de espín previo a ella. El análisis completo implica repetir la secuencia con los tiempos de pulso variando sistemáticamente para sondear las oscilaciones del sistema de espín punto por punto en el dominio del tiempo. La transformada de Fourier multidimensional de la señal temporal multidimensional produce el espectro multidimensional. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear bidimensional (RMN-2D), habrá un período de tiempo que varía sistemáticamente en la secuencia de pulsos, lo que modulará la intensidad o la fase de las señales detectadas. En la RMN-3D, se variarán dos períodos de tiempo de forma independiente, y en la RMN-4D, se variarán tres.

Existen muchos experimentos de este tipo. En algunos, intervalos de tiempo fijos permiten (entre otras cosas) la transferencia de magnetización entre núcleos y, por lo tanto, la detección de los tipos de interacciones núcleo-núcleo que permitieron dicha transferencia. Las interacciones que se pueden detectar se clasifican generalmente en dos tipos: interacciones a través de enlaces e interacciones a través del espacio . Las interacciones a través de enlaces se relacionan con la conectividad estructural de los átomos y proporcionan información sobre cuáles están conectados directamente entre sí, conectados a través de un único átomo intermedio, etc. Las interacciones a través del espacio se relacionan con distancias y ángulos geométricos reales, incluyendo los efectos del acoplamiento dipolar y el efecto Overhauser nuclear .

Aunque el concepto fundamental de  RMN-FT 2D fue propuesto por Jean Jeener de la Universidad Libre de Bruselas en una conferencia internacional, esta idea fue desarrollada en gran medida por Richard Ernst , quien ganó el Premio Nobel de Química de 1991 por su trabajo en  RMN-FT, incluyendo la RMN-FT multidimensional  , y especialmente  la RMN-FT 2D de moléculas pequeñas. ^{[ 32 ]} Los experimentos de RMN -FT multidimensional  se desarrollaron posteriormente hasta convertirse en metodologías potentes para el estudio de moléculas en solución, en particular para la determinación de la estructura de biopolímeros como proteínas o incluso ácidos nucleicos pequeños . ^{[ 33 ]}

En 2002, Kurt Wüthrich compartió el Premio Nobel de Química (con John Bennett Fenn y Koichi Tanaka ) por su trabajo con la espectroscopia de RMN de transformada de Fourier de proteínas  en solución.

Esta técnica complementa la cristalografía de rayos X, ya que se aplica frecuentemente a moléculas en estado amorfo o cristalino líquido , mientras que la cristalografía, como su nombre indica, se realiza en moléculas en fase cristalina. En materiales conductores electrónicos, el desplazamiento de Knight de la frecuencia de resonancia puede proporcionar información sobre los portadores de carga móviles. Si bien la resonancia magnética nuclear se utiliza para estudiar la estructura de los sólidos, obtener detalles estructurales extensos a nivel atómico es más difícil en estado sólido. Debido al ensanchamiento por anisotropía del desplazamiento químico (CSA) y acoplamientos dipolares con otros espines nucleares, sin técnicas especiales como MAS o desacoplamiento dipolar mediante pulsos de RF, el espectro observado suele ser solo una banda gaussiana ancha para espines no cuadrupolares en un sólido.

El profesor Raymond Andrew de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido fue pionero en el desarrollo de la resonancia magnética nuclear de estado sólido de alta resolución . Fue el primero en informar sobre la introducción de la técnica MAS (giro de muestra en ángulo mágico; MASS), que le permitió lograr una resolución espectral en sólidos suficiente para distinguir entre grupos químicos con diferentes desplazamientos químicos o distintos desplazamientos de Knight . En MASS, la muestra se hace girar a varios kilohercios alrededor de un eje que forma el llamado ángulo mágico θ _m (que es ~54,74°, donde 3cos ² θ _m -1 = 0) con respecto a la dirección del campo magnético estático B ₀ ; como resultado de dicho giro de la muestra en ángulo mágico, las amplias bandas de anisotropía del desplazamiento químico se promedian a sus correspondientes valores promedio (isotrópicos) de desplazamiento químico. La alineación correcta del eje de rotación de la muestra lo más cerca posible de θ _m es esencial para cancelar el ensanchamiento de la anisotropía del desplazamiento químico. Existen diferentes ángulos de rotación de la muestra con respecto al campo aplicado para el promedio de las interacciones cuadrupolares eléctricas y paramagnéticas, que son aproximadamente 30,6° y 70,1°, respectivamente. En materiales amorfos, persiste un ensanchamiento residual de la línea, ya que cada segmento se encuentra en un entorno ligeramente diferente, lo que resulta en una frecuencia de RMN ligeramente distinta.

El ensanchamiento o desdoblamiento de la línea por acoplamientos dipolares o J a núcleos de ^1H cercanos se suele eliminar mediante pulsos de radiofrecuencia aplicados a la frecuencia de ^1H durante la detección de la señal. El concepto de polarización cruzada desarrollado por Sven Hartmann y Erwin Hahn fue utilizado para transferir la magnetización de protones a núcleos menos sensibles por MG Gibby, Alex Pines y John S. Waugh . Posteriormente, Jake Schaefer y Ed Stejskal demostraron el potente uso de la polarización cruzada en condiciones MAS (CP-MAS) y el desacoplamiento de protones, que ahora se emplea de forma rutinaria para medir espectros de alta resolución de núcleos de baja abundancia y baja sensibilidad, como el carbono-13, el silicio-29 o el nitrógeno-15, en sólidos. Se puede lograr una mejora significativa de la señal mediante la polarización nuclear dinámica de electrones desapareados a los núcleos, generalmente a temperaturas cercanas a 110 K.

Dado que la intensidad de las señales de resonancia magnética nuclear y, por lo tanto, la sensibilidad de la técnica dependen de la fuerza del campo magnético, esta técnica también ha evolucionado a lo largo de las décadas con el desarrollo de imanes más potentes. Los avances en la tecnología audiovisual también han mejorado las capacidades de generación y procesamiento de señales de los instrumentos más modernos.

Como se mencionó anteriormente, la sensibilidad de las señales de resonancia magnética nuclear también depende de la presencia de un nucleido magnéticamente sensible y, por lo tanto, de la abundancia natural de dichos nucleidos o de la capacidad del experimentador para enriquecer artificialmente las moléculas en estudio con ellos. Los isótopos naturales más abundantes del hidrógeno y el fósforo (por ejemplo) son magnéticamente sensibles y resultan muy útiles para la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. En cambio, el carbono y el nitrógeno poseen isótopos útiles, pero su abundancia natural es muy baja.

Otras limitaciones en la sensibilidad surgen de la naturaleza cuántico-mecánica del fenómeno. Para estados cuánticos separados por energía equivalente a radiofrecuencias, la energía térmica del entorno provoca que las poblaciones de los estados sean prácticamente iguales. Dado que la radiación incidente tiene la misma probabilidad de causar emisión estimulada (una transición del estado superior al inferior) que absorción, el efecto RMN depende de un exceso de núcleos en los estados inferiores. Varios factores pueden reducir la sensibilidad, entre ellos:

• El aumento de la temperatura uniformiza la distribución de estados de Boltzmann . Por el contrario, la RMN a baja temperatura a veces puede ofrecer mejores resultados que la RMN a temperatura ambiente, siempre que la muestra permanezca líquida.
• Saturación de la muestra con energía aplicada a la radiofrecuencia resonante. Esto se manifiesta tanto en RMN de onda continua (CW) como pulsada; en el primer caso (CW), esto ocurre al usar demasiada potencia continua que mantiene los niveles de espín superiores completamente poblados; en el segundo caso (pulsada), cada pulso (que sea al menos un pulso de 90°) deja la muestra saturada, y deben pasar de cuatro a cinco veces el tiempo de relajación (longitudinal) (5 T ₁ ) antes de que se pueda aplicar el siguiente pulso o secuencia de pulsos. Para experimentos de pulso único, se pueden usar pulsos de RF más cortos que inclinen la magnetización en menos de 90°, lo que pierde algo de intensidad de la señal, pero permite retrasos de reciclaje más cortos . El óptimo en este caso se llama ángulo de Ernst , en honor al premio Nobel . Especialmente en la RMN de estado sólido, o en muestras que contienen muy pocos núcleos con espín (el diamante con el 1% natural de carbono-13 es particularmente problemático en este caso), los tiempos de relajación longitudinal pueden estar en el rango de horas, mientras que para la RMN de protón suelen estar en el rango de un segundo.
• Efectos no magnéticos, como el acoplamiento cuadrupolar eléctrico de núcleos de espín 1 y espín 3/2 con su entorno local, que ensanchan y debilitan los picos de absorción . ¹⁴Por esta razón, el N , un núcleo de espín 1 abundante, es difícil de estudiar. En cambio, la RMN de alta resolución analiza las moléculas utilizando el ^{15, que es menos frecuente.}Isótopo N , que tiene espín ⁠ 1 / 2 ⁠ .

Muchos isótopos de elementos químicos pueden utilizarse para el análisis por RMN. ^{[ 34 ]}

Núcleos de uso común:

• ¹El H , el núcleo de espín 1/2 más utilizado en las investigaciones de RMN, se ha estudiado utilizando muchas formas de RMN. El hidrógeno es muy abundante, especialmente en los sistemas biológicos. Es el núcleo que proporciona la señal de RMN más fuerte (aparte del ³H , que no se usa comúnmente debido a su inestabilidad y radiactividad). La RMN de protón tiene un rango de desplazamiento químico estrecho, pero da señales nítidas en estado de solución. Es posible una adquisición rápida de espectros cuantitativos (con integrales de pico en proporciones estequiométricas) debido al corto tiempo de relajación. El ¹El núcleo de hidrógeno ha proporcionado la única señal de diagnóstico para la resonancia magnética clínica (RM).
• ²El H , un núcleo de espín 1, se utiliza comúnmente para proporcionar un medio libre de señales en forma de disolventes deuterados para la RMN de protón, para evitar la interferencia de la señal de los disolventes que contienen hidrógeno en la medición de ¹RMN de 1H de solutos. También se utiliza para determinar el comportamiento de los lípidos en membranas lipídicas y otros sólidos o cristales líquidos, ya que es un marcador relativamente poco perturbador que puede reemplazar selectivamente ¹H. Alternativamente, ²H puede detectarse en medios especialmente marcados con ²La resonancia de deuterio se utiliza comúnmente en la espectroscopia de RMN de alta resoluciónpara controlar la deriva de la intensidad del campo magnético (bloqueo) y para controlar la homogeneidad del campo magnético externo.
• ³Es muy sensible a la RMN. Existe en una concentración muy baja en el helio natural y se puede purificar a partir de ⁴Se utiliza principalmente en estudios de fullerenos endoédricos , donde su inercia química es beneficiosa para determinar la estructura del fullereno que lo contiene.
• ¹¹B es más sensible que ¹⁰B y produce señales más nítidas. El espín nuclear de ¹⁰ B es 3 y el de ¹¹ B es 3/2 . Deben utilizarse tubos de cuarzo porque el vidrio de borosilicato interfiere con la medición.
• ¹³El C , un núcleo de espín 1/2 , se utiliza ampliamente, a pesar de su relativa escasez en el carbono natural (aproximadamente 1,1%). Es estable frente a la desintegración nuclear. Dado que hay un bajo porcentaje en el carbono natural, la adquisición de espectros en muestras que no han sido enriquecidas en ¹³La reacción con 13C requiere mucho tiempo. Se utiliza frecuentemente para el marcaje de compuestos en estudios sintéticos y metabólicos. Presenta baja sensibilidad y un rango de desplazamiento químico moderadamente amplio, lo que produce señales nítidas. Su bajo porcentaje la hace útil al prevenir acoplamientos espín-espín y hace que el espectro parezca menos saturado. La lenta relajación del ^13C no unido al hidrógeno implica que los espectros no son integrables a menos que se utilicen tiempos de adquisición prolongados.
• ¹⁴El nitrógeno (N) , con espín 1, es un núcleo de sensibilidad media con un amplio rango de desplazamiento químico. Su elevado momento cuadrupolar interfiere con la obtención de espectros de alta resolución, lo que limita su utilidad a moléculas más pequeñas y grupos funcionales con un alto grado de simetría, como los grupos de cabeza de los lípidos.
• ¹⁵El isótopo N₂ , con espín 1/2 , se utiliza con relativa frecuencia. Puede emplearse para el marcaje isotópico de compuestos. Es poco sensible , pero produce señales nítidas. Su bajo porcentaje en el nitrógeno natural , junto con su baja sensibilidad , requiere altas concentraciones o un costoso enriquecimiento isotópico.
• ¹⁷O , espín 5/2 , baja sensibilidad y muy baja abundancia natural (0,037%), amplio rango de desplazamiento químico (hasta 2000 ppm). Su momento cuadrupolar provoca ensanchamiento de línea. Se utiliza en estudios metabólicos y bioquímicos de equilibrios químicos .
• ¹⁹F , espín 1/2 , se mide con relativa frecuencia. Es sensible, produce señales nítidas y tiene un amplio rango de desplazamiento químico .
• ³¹P , espín 1/2 , 100 % de fósforo natural. Sensibilidad media, amplio rango de desplazamiento químico, produce líneas nítidas. Los espectros tienden a tener un nivel de ruido moderado. Se utiliza en estudios bioquímicos y en química de coordinación con ligandos que contienen fósforo.
• ³⁵Cl y ³⁷Cl , espín 3/2 , señal ancha . ³⁵Cl es significativamente más sensible, preferido sobre ³⁷A pesar de su señal ligeramente más amplia, los cloruros orgánicos producen señales muy amplias. Su uso se limita a cloruros inorgánicos e iónicos y a moléculas orgánicas muy pequeñas.
• ⁴³Ca , espín 7/2 , momento cuadrupolar relativamente pequeño, sensibilidad moderada, abundancia natural muy baja. Se utiliza en bioquímica para estudiar la unión del calcio al ADN, proteínas , etc.
• ¹⁹⁵Pt , utilizado en estudios de catalizadores y complejos.

Otros núcleos (utilizados habitualmente en los estudios de sus complejos y enlaces químicos, o para detectar la presencia del elemento):

La aplicación de la resonancia magnética nuclear más conocida por el público general es la resonancia magnética para el diagnóstico médico y la microscopía de resonancia magnética en entornos de investigación. Sin embargo, también se utiliza ampliamente en estudios bioquímicos, especialmente en espectroscopía de RMN, como la RMN de protón , la RMN de carbono-13 , la RMN de deuterio y la RMN de fósforo-31. Asimismo, se puede obtener información bioquímica de tejido vivo (por ejemplo, tumores cerebrales humanos ) mediante la técnica conocida como espectroscopía de resonancia magnética in vivo o microscopía de RMN de desplazamiento químico .

Estos estudios espectroscópicos son posibles gracias a que los núcleos están rodeados de electrones en órbita, partículas cargadas que generan pequeños campos magnéticos locales que se suman o restan al campo magnético externo, protegiendo así parcialmente los núcleos. El grado de protección depende del entorno local exacto. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno unido a un átomo de oxígeno se protegerá de forma diferente a un átomo de hidrógeno unido a un átomo de carbono. Además, dos núcleos de hidrógeno pueden interactuar mediante un proceso conocido como acoplamiento espín-espín , si se encuentran en la misma molécula, lo que provocará una división característica de las líneas espectrales.

Como una de las dos principales técnicas espectroscópicas utilizadas en metabolómica , la RMN se emplea para generar huellas metabólicas a partir de fluidos biológicos con el fin de obtener información sobre estados de enfermedad o agresiones tóxicas.

El desplazamiento químico mencionado anteriormente resultó decepcionante para los físicos que esperaban que la frecuencia de resonancia de cada especie nuclear fuera constante en un campo magnético dado. ^{[ 36 ]} Pero alrededor de 1951, el químico SS Dharmatti fue pionero en un método para determinar la estructura de muchos compuestos mediante el estudio de los picos de los espectros de resonancia magnética nuclear. ^{[ 36 ]} Puede ser una técnica muy selectiva, que permite distinguir entre muchos átomos dentro de una molécula o conjunto de moléculas de tipo muy similar, pero que difieren únicamente en términos de su entorno químico local. La espectroscopia de RMN se utiliza para identificar inequívocamente compuestos conocidos y nuevos, y como tal, suele ser requerida por las revistas científicas para la confirmación de la identidad de los nuevos compuestos sintetizados. Véanse los artículos sobre RMN de carbono-13 y RMN de protón para discusiones detalladas.

Un químico puede determinar la identidad de un compuesto comparando las frecuencias de precesión nuclear observadas con frecuencias conocidas o predichas. Se pueden dilucidar más datos estructurales observando el acoplamiento espín-espín , un proceso por el cual la frecuencia de precesión de un núcleo puede verse influenciada por la orientación del espín de un núcleo químicamente enlazado. El acoplamiento espín-espín se observa fácilmente en la RMN del hidrógeno-1 ( ¹RMN de 1H  ) ya que su abundancia natural es casi del 100%.

Debido a que la escala de tiempo de la resonancia magnética nuclear es bastante lenta, en comparación con otros métodos espectroscópicos, cambiar la temperatura de un _experimento T2 * también puede proporcionar información sobre reacciones rápidas, como el reordenamiento de Cope , o sobre dinámicas estructurales, como la inversión de anillos en el ciclohexano . A temperaturas suficientemente bajas, se puede distinguir entre los hidrógenos axiales y ecuatoriales en el ciclohexano.

Un ejemplo del uso de la resonancia magnética nuclear en la determinación de una estructura es el del buckminsterfullereno (a menudo llamado "buckybolas", composición C ₆₀ ). Esta ahora famosa forma de carbono tiene 60 átomos de carbono que forman una esfera. Todos los átomos de carbono se encuentran en entornos idénticos, por lo que deberían experimentar el mismo campo interno de H. Desafortunadamente, el buckminsterfullereno no contiene hidrógeno, por lo que ¹³Se debe utilizar la resonancia magnética nuclear de carbono . ¹³Los espectros de C requieren tiempos de adquisición más largos ya que el carbono-13 no es el isótopo común del carbono (a diferencia del hidrógeno, donde ¹(H es el isótopo común). Sin embargo, en 1990, R. Taylor y sus colaboradores de la Universidad de Sussex obtuvieron el espectro , el cual reveló un único pico, confirmando así la estructura inusual del buckminsterfullereno. ^{[ 37 ]}

La resonancia magnética nuclear (RMN) es una potente herramienta analítica para investigar la estructura local y la dinámica iónica en los materiales de las baterías. La RMN proporciona información valiosa sobre los entornos atómicos de corto alcance dentro de sistemas electroquímicos complejos como las baterías. Los procesos electroquímicos se basan en reacciones redox, en las que suelen participar iones de litio ^(⁷Li ) o sodio ^{(²³Na ). Por consiguiente, sus} espectroscopias de RMN se ven afectadas por la estructura electrónica del material, lo que convierte a la RMN en una técnica esencial para estudiar el comportamiento de los componentes de la batería durante su funcionamiento.

Algunas de las aplicaciones de la RMN en la investigación de baterías incluyen:

• Electrodos y transformaciones estructurales: Durante los ciclos de carga y descarga, los materiales de los ánodos y cátodos experimentan transformaciones estructurales locales. Estos cambios pueden monitorizarse mediante RMN analizando la forma, la intensidad y el desplazamiento químico de la señal. ^{[ 38 ]} Estas transformaciones a menudo no se detectan con técnicas de difracción de rayos X (que proporcionan información de largo alcance), ^{[ 39 ]} lo que hace que la RMN sea indispensable para comprender los mecanismos subyacentes del almacenamiento de energía.
• Formación de dendritas metálicas: Uno de los desafíos en las baterías de litio y sodio es la formación de dendritas metálicas, que pueden provocar cortocircuitos y fallas catastróficas de la batería. La RMN in situ permite a los investigadores observar la formación de dendritas de litio o sodio en tiempo real durante el ciclo de la batería. ^{[ 40 ]} Variar las tasas de ciclado también permite cuantificar el efecto sobre la formación de dendritas, lo que ayuda a desarrollar estrategias para suprimir su crecimiento y reducir el riesgo de cortocircuitos.
• Electrolitos sólidos e interfaces: Los electrolitos sólidos, un foco clave de la investigación de baterías de próxima generación, a menudo presentan tasas de difusión iónica limitadas. Las técnicas de RMN permiten medir la difusividad en electrolitos sólidos, lo que ayuda a los investigadores a comprender cómo mejorar la conductividad iónica. ^{[ 41 ]} Además, la RMN se utiliza para estudiar la interfaz de electrolito sólido (SEI), una capa que se forma en la superficie del electrodo y que, por lo tanto, influye en la estabilidad de la batería. La RMN de estado sólido (ssNMR) es particularmente valiosa para caracterizar la composición y la dinámica iónica dentro de la capa SEI debido a sus capacidades de ensayo no destructivo. ^{[ 42 ]}

Técnicas de RMN in situ y ex situ La tecnología de RMN se puede dividir en dos enfoques experimentales principales en la investigación de baterías: RMN in situ y RMN ex situ . ^{[ 43 ]} Cada una ofrece ventajas únicas dependiendo de los objetivos de la investigación.

• RMN in situ : La RMN in situ permite la observación en tiempo real de los cambios químicos y estructurales en las baterías mientras están en funcionamiento. Esto es particularmente importante para estudiar especies transitorias que solo existen en condiciones de funcionamiento, como ciertos productos de reacción intermedios. La RMN in situ se ha convertido en una herramienta fundamental para comprender procesos como la deposición de litio y sodio y la formación de dendritas durante el ciclo de la batería. ^{[ 40 ]}

  

• RMN ex situ : La RMN ex situ se utiliza después de desmontar la batería, lo que permite un análisis de alta resolución de sus componentes. Se emplea frecuentemente para estudiar una amplia gama de núcleos, incluyendo ^1H , ^2H , ^6Li , ^7Li , ^13C , ^15N , ^17O , ^19F , ^25Mg , ^29Si , ^31P , ^51V y ^133Cs . Muchos de estos núcleos son cuadrupolares o se encuentran en baja abundancia, lo que dificulta su detección. Sin embargo, la RMN ex situ ofrece mayor sensibilidad y anchos de línea más estrechos, que pueden mejorarse aún más empleando mayores volúmenes de muestra, campos magnéticos más intensos o rotación en ángulo mágico (MAS).

Aunque la RMN se utiliza principalmente para la determinación estructural, también puede emplearse para determinar la pureza, siempre que se conozcan la estructura y el peso molecular del compuesto. Esta técnica requiere el uso de un patrón interno de pureza conocida. Normalmente, este patrón tendrá un peso molecular elevado para facilitar una pesada precisa, pero relativamente pocos protones para obtener un pico claro para su posterior integración, por ejemplo, 1,2,4,5-tetracloro-3-nitrobenceno . Se combinan porciones pesadas con precisión del patrón y de la muestra, y se analizan mediante RMN. Se seleccionan los picos adecuados de ambos compuestos y se determina la pureza de la muestra mediante la siguiente ecuación.

${\displaystyle \mathrm {Pureza} ={\frac {w_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl} }}{w_{\mathrm {spl} }\times MW_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_ {\mathrm {spl} }}}\times P}$

Dónde:

• w _std : peso del estándar interno
• w _spl : peso de la muestra
• n [H] _std : el área integrada del pico seleccionado para comparación en el estándar, corregida por el número de protones en ese grupo funcional.
• n [H] _spl : el área integrada del pico seleccionado para comparación en la muestra, corregida por el número de protones en ese grupo funcional.
• MW _std : peso molecular del estándar
• MW _spl : peso molecular de la muestra
• P : pureza del estándar interno

La resonancia magnética nuclear es extremadamente útil para analizar muestras de forma no destructiva. Los campos magnéticos de radiofrecuencia penetran fácilmente muchos tipos de materia y cualquier material que no sea altamente conductor o inherentemente ferromagnético . Por ejemplo, diversas muestras biológicas costosas, como ácidos nucleicos ( ARN y ADN) o proteínas , pueden estudiarse mediante resonancia magnética nuclear durante semanas o meses antes de recurrir a experimentos bioquímicos destructivos. Esto también convierte a la resonancia magnética nuclear en una excelente opción para analizar muestras peligrosas.

Además de proporcionar información estática sobre las moléculas al determinar sus estructuras 3D, una de las ventajas notables de la RMN sobre la cristalografía de rayos X es que puede utilizarse para obtener información dinámica importante. Esto se debe a la dependencia de la orientación de las contribuciones del desplazamiento químico, el acoplamiento dipolar o el acoplamiento cuadrupolar eléctrico a la frecuencia instantánea de RMN en un entorno molecular anisotrópico. ^{[ 44 ]} Cuando la molécula o el segmento que contiene el núcleo observado por RMN cambia su orientación con respecto al campo externo, la frecuencia de RMN cambia, lo que puede resultar en cambios en los espectros unidimensionales o bidimensionales o en los tiempos de relajación, dependiendo del tiempo de correlación y la amplitud del movimiento.

Otro uso de la resonancia magnética nuclear es la adquisición de datos en la industria petrolera para la exploración y recuperación de petróleo y gas natural . La investigación inicial en este campo comenzó en la década de 1950; sin embargo, los primeros instrumentos comerciales no se lanzaron hasta principios de la década de 1990. ^{[ 45 ]} Se perfora un pozo en estratos rocosos y sedimentarios en el que se baja el equipo de registro de resonancia magnética nuclear. El análisis de resonancia magnética nuclear de estos pozos se utiliza para medir la porosidad de la roca, estimar la permeabilidad a partir de la distribución del tamaño de los poros e identificar los fluidos de los poros (agua, petróleo y gas). Estos instrumentos suelen ser espectrómetros de RMN de bajo campo .

El registro de RMN, una subcategoría del registro electromagnético, mide el momento magnético inducido de los núcleos de hidrógeno (protones) contenidos en el espacio poroso lleno de fluido de los medios porosos (rocas reservorio). A diferencia de las mediciones de registro convencionales (por ejemplo, acústicas, de densidad, de neutrones y de resistividad), que responden tanto a la matriz rocosa como a las propiedades del fluido y dependen en gran medida de la mineralogía, las mediciones de registro de RMN responden a la presencia de hidrógeno. Dado que los átomos de hidrógeno se encuentran principalmente en los fluidos de los poros, la RMN responde eficazmente al volumen, la composición, la viscosidad y la distribución de estos fluidos, por ejemplo, petróleo, gas o agua. Los registros de RMN proporcionan información sobre las cantidades de fluidos presentes, las propiedades de estos fluidos y el tamaño de los poros que los contienen. A partir de esta información, es posible inferir o estimar:

• El volumen (porosidad) y la distribución (permeabilidad) del espacio poroso de la roca.
• Composición de la roca
• Tipo y cantidad de hidrocarburos fluidos
• Producibilidad de hidrocarburos

La medición básica del núcleo y del registro es la disminución _de T₂ , que se presenta como una distribución de amplitudes de T₂ en función del tiempo en cada profundidad de muestreo, típicamente de 0,3 _ms a ₃ s . Esta disminución _de T₂ se procesa posteriormente para obtener el volumen total de poros (la porosidad total) y los volúmenes de poros dentro de diferentes rangos de T₂ . Los volúmenes más comunes son el fluido ligado y el fluido libre. Se realiza una estimación de la permeabilidad utilizando una transformación como las transformaciones de permeabilidad de Timur-Coates o SDR. Al ejecutar el registro con diferentes parámetros de adquisición, es posible la tipificación directa de hidrocarburos y la difusión mejorada.  

Se han desarrollado aplicaciones en tiempo real de RMN en medios líquidos utilizando sondas de flujo diseñadas específicamente (conjuntos de celdas de flujo) que pueden reemplazar las sondas de tubo estándar. Esto ha permitido técnicas que pueden incorporar el uso de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) u otros dispositivos de introducción de muestras de flujo continuo. ^{[ 46 ]} Estas sondas de flujo se han utilizado en diversos sistemas de monitorización de procesos en línea, como reacciones químicas, ^{[ 47 ]} y degradación de contaminantes ambientales. ^{[ 48 ]}

La RMN ha entrado en el ámbito del control de procesos en tiempo real y la optimización de procesos en refinerías de petróleo y plantas petroquímicas . Se utilizan dos tipos diferentes de análisis de RMN para proporcionar análisis en tiempo real de alimentaciones y productos con el fin de controlar y optimizar las operaciones unitarias. Los espectrómetros de RMN en el dominio del tiempo (TD-NMR) que operan a campo bajo (2–20  MHz para ¹H ) proporcionan datos de decaimiento de inducción libre que pueden utilizarse para determinar valores absolutos de contenido de hidrógeno , información reológica y composición de componentes. Estos espectrómetros se utilizan en minería ,producción de polímeros , cosméticos y fabricación de alimentos, así como en análisis de carbón . Los espectrómetros FT-NMR de alta resolución que operan en el rango de 60 MHz con sistemas de imanes permanentes blindados proporcionan datos de alta resolución ¹Espectros de RMN de ¹H de corrientes de refinería y petroquímica . La variación observada en estos espectros con los cambios en las propiedades físicas y químicas se modela mediante quimiometría para obtener predicciones sobre muestras desconocidas. Los resultados de la predicción se proporcionan a los sistemas de control mediante salidas analógicas o digitales del espectrómetro.

En el campo magnético terrestre , las frecuencias de RMN se encuentran en el rango de audiofrecuencia , o en las bandas de frecuencia muy baja y ultrabaja del espectro de radiofrecuencia . La RMN de campo terrestre (EMNRT) se estimula típicamente aplicando un pulso de campo magnético de CC relativamente fuerte a la muestra y, tras finalizar el pulso, analizando el campo magnético alterno de baja frecuencia resultante que se produce en el campo magnético terrestre debido a la desintegración por inducción libre (DIF). Estos efectos se aprovechan en algunos tipos de magnetómetros , espectrómetros de EMNRT e imágenes de resonancia magnética (RM). Su naturaleza portátil y económica hace que estos instrumentos sean valiosos para su uso en campo y para la enseñanza de los principios de la RMN y la RM.

Una característica importante de la espectrometría EFNMR en comparación con la RMN de alto campo es que algunos aspectos de la estructura molecular se pueden observar con mayor claridad a bajos campos y bajas frecuencias, mientras que otros aspectos observables a altos campos no se pueden observar a bajos campos. Esto se debe a que:

• Los acoplamientos J heteronucleares mediados por electrones ( acoplamientos espín-espín ) son independientes del campo, produciendo grupos de dos o más frecuencias separadas por varios Hz, que se observan más fácilmente en una resonancia fundamental de aproximadamente 2  kHz. "De hecho, parece que es posible una resolución mejorada debido a los largos tiempos de relajación de espín y la alta homogeneidad de campo que prevalecen en la EFNMR." ^{[ 49 ]}
• En los espectros de RMN de campo alto, los desplazamientos químicos de varias ppm se distinguen claramente, pero en las frecuencias de RMN de protón presentan separaciones de tan solo unos pocos milhercios, por lo que normalmente no se resuelven.

En la RMN de campo cero, todos los campos magnéticos se apantallan de tal manera que se alcanzan campos magnéticos inferiores a 1  nT ( nanotesla ) y las frecuencias de precesión nuclear de todos los núcleos son cercanas a cero e indistinguibles. En estas circunstancias, los espectros observados ya no están determinados por los desplazamientos químicos, sino principalmente por las interacciones de acoplamiento J , que son independientes del campo magnético externo. Dado que los esquemas de detección inductiva no son sensibles a frecuencias muy bajas, del orden de los acoplamientos J (típicamente entre 0 y 1000  Hz), se utilizan esquemas de detección alternativos. En concreto, los magnetómetros sensibles resultan ser buenos detectores para la RMN de campo cero. Un entorno de campo magnético cero no proporciona ninguna polarización, por lo que es la combinación de la RMN de campo cero con esquemas de hiperpolarización lo que hace que la RMN de campo cero sea deseable.

La computación cuántica por RMN utiliza los estados de espín de los núcleos dentro de las moléculas como cúbits . La RMN se diferencia de otras implementaciones de computadoras cuánticas en que utiliza un conjunto de sistemas; en este caso, moléculas.

Diversos magnetómetros utilizan efectos de RMN para medir campos magnéticos, incluidos los magnetómetros de precesión de protones (PPM) (también conocidos como magnetómetros de protones ) y los magnetómetros de Overhauser .

La resonancia magnética superficial (o sondeo por resonancia magnética) se basa en el principio de la resonancia magnética nuclear (RMN) y las mediciones pueden utilizarse para estimar indirectamente el contenido de agua de las zonas saturadas y no saturadas del subsuelo terrestre. ^{[ 50 ]} La RMN se utiliza para estimar las propiedades de los acuíferos, incluyendo la cantidad de agua contenida en el acuífero , la porosidad y la conductividad hidráulica .

• Tutorial de RMN/IRM
• Biblioteca de RMN Conceptos de RMN
• Apuntes del curso de RMN
• Ejercicios de RMN descargables en formato PowerPoint (inglés/alemán) y PDF (solo en alemán).
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear en química orgánica: fundamentos teóricos y técnicas de medición.
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear en química orgánica: métodos básicos y avanzados de interpretación de espectros.

• Simulación interactiva en la esfera de Bloch

• Introducción a la RMN y la RMN
• Richard Ernst, NL – Desarrollador de técnicas de RMN multidimensionales. Vídeo de presentación gratuita proporcionado por Vega Science Trust.
• Vídeo gratuito «Una entrevista con Kurt Wuthrich» de Vega Science Trust (Wüthrich fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 2002 «por su desarrollo de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear para determinar la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas en solución»).
• El ganador del Premio Nobel - Documental sobre Richard R. Ernst de Lukas Schwarzenbacher y Susanne Schmid (en alemán suizo con subtítulos en inglés)

Otro

• Qian, C.; Pines, A.; Martin, RW (septiembre de 2007). "Off Magic Angle Spinning". Journal of Magnetic Resonance . 188 (1): 183– 189. Bibcode : 2007JMagR.188..183Q . doi : 10.1016/j.jmr.2007.06.006 . PMID 17638585 . 
• Enfoque en la resonancia magnética nuclear: una técnica atemporal