Resonancia magnética nuclear (RMN)

Aplicaciones de la espectroscopia de RMN

La espectroscopia de RMN es una técnica no destructiva y no invasiva que se utiliza para determinar la estructura y la dinámica molecular. Las aplicaciones de la RMN son diversas e incluyen las siguientes áreas de investigación e industrias:

• En biología, la RMN se aplica para estudiar macromoléculas, como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, y ¹⁹F son los núcleos activos de RMN más relevantes desde el punto de vista biológico, utilizados para comprender las vías bioquímicas implicadas en el metabolismo de los aminoácidos, los lípidos y los hidratos de carbono.
• En química, se utiliza ampliamente para el análisis cualitativo y cuantitativo para monitorizar reacciones, identificar estructuras y evaluar la pureza.
• En la ciencia de los polímeros, para analizar la proporción de monómeros, el peso molecular, la tacticidad, la secuenciación, la longitud de la cadena y la ramificación, y para determinar los grupos terminales.
• En la industria farmacéutica, para determinar la pureza y la cantidad de principios activos, excipientes e impurezas de los productos farmacéuticos
• En la industria del petróleo, para evaluar los hidrocarburos del petróleo crudo y sus productos.
• En medicina, la resonancia magnética (RM) es una aplicación de la RMN utilizada para el análisis de tejidos blandos con el fin de identificar los tejidos dañados o enfermos.

Principios de la espectroscopia de RMN

El espín nuclear está relacionado con la composición del núcleo de un elemento. Los núcleos que contienen un número par de protones y neutrones tienen espín nuclear 0 y no pueden someterse a RMN (por ejemplo, ⁴He,¹²C,¹⁶O). Los núcleos con un número impar de protones y/o neutrones presentan espín nuclear y pueden experimentar RMN (por ejemplo, ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Estos núcleos se comportan como pequeños imanes giratorios y pueden interactuar con un campo magnético externo. Los núcleos giratorios también crean su propio campo magnético que puede interactuar con otros núcleos con espín.

Un instrumento de RMN mide la interacción de los estados de espín nuclear bajo la influencia de un potente campo magnético. El campo magnético hace que los núcleos precesen (giren) como una peonza. Un núcleo en precesión absorbe selectivamente la energía de las ondas de radiofrecuencia cuando la frecuencia del núcleo en precesión coincide con la baja frecuencia externa de las ondas de radiofrecuencia que interactúan con él. Cuando se produce esta absorción, se dice que el núcleo en precesión y las ondas de radiofrecuencia están en "resonancia", de ahí el término resonancia magnética nuclear. La resonancia puede producirse sintonizando la frecuencia de los núcleos con la frecuencia fija de las ondas de radio, o sintonizando la frecuencia de las ondas de radio con la de los núcleos.

Durante la RMN, un campo magnético aplicado excita los núcleos que tienen diferentes momentos magnéticos a través de varios niveles de energía. Tras absorber una radiofrecuencia característica, los núcleos en estado excitado vuelven a estados energéticos más bajos transfiriendo energía al entorno circundante. Cuando la energía se transfiere a otros átomos o al disolvente, el proceso de relajación se denomina "relajación de la red de espín". Si la energía se transfiere a núcleos vecinos del mismo nivel energético, el proceso se denomina relajación espín-espín. Estos dos procesos de relajación se caracterizan por constantes de tiempo: tiempo de relajación espín-red (T₁) y tiempo de relajación espín-espín (T₂), que son responsables del espectro de RMN resultante.

Características de un espectro de RMN

Un espectro de RMN es un gráfico de la radiofrecuencia aplicada frente a la absorción. La posición en el gráfico en la que el núcleo absorbe se denomina desplazamiento químico. El desplazamiento químico se ve afectado por la densidad de electrones alrededor del núcleo. Si un núcleo está rodeado por una alta densidad de electrones, el núcleo está protegido del campo magnético externo, lo que desplaza las señales hacia arriba en el espectro de RMN. Si un núcleo está rodeado por un átomo electronegativo, se elimina la densidad de electrones alrededor del núcleo y se produce un efecto de "desprotección". Esto desplaza la señal "hacia abajo" en el espectro de RMN. El espín de los núcleos vecinos también afecta a las señales observadas en un espectro de RMN y puede provocar la división de la señal de RMN, lo que se conoce como "acoplamiento espín-espín".