Espectrómetro de resonancia magnética nuclear

Laboratorio de Química. Componentes. Tipos de espectrómetros. Varian. Bruker. Espectros monodimensionales y bidimensionales. Aplicaciones. Aparato RMN

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El espectrómetro de resonancia magnética nuclear.

De forma esquemática los principales componentes de un equipo

para medidas de resonancia magnética nuclear son:

1.- Un imán estable, con un controlador que produce un campo

magnético estable de fuerza Bo.

2.- Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias

precisas.

3.- Un receptor muy sensible capaz de detectar señales débiles

producidas por el núcleo en resonancia.

4.- Un ordenador para controlar los pulsos de frecuencia y para

almacenar datos.

5.- Un aparato de impresión de los datos.

'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

Una parte importante del aparato es la sonda, que es la que

determina la resolución del equipo. Las sondas son circuitos eléctricos LCR

provistos de bobinas, condensadores y una resistencia al paso de corriente.

El papel de las bobinas consiste en la generación de radiación

electromagnética, ésta se induce por el paso de corriente a través de la

bobina, la detección se produce por el principio de reciprocidad, esto es, la

magnetización ( inicialmente en el eje z) al pasar al plano xy ( transversal)

produce una variación del flujo magnético en la bobina receptora, hecho

que induce una corriente en ésta ( se podrá medir un voltaje en el

digitalizador).

'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

Para realizar el espectro las muestras deben estar perfectamente

disueltas en disolventes deuterados. Según el núcleo a tratar se

recomienda usar una cantidad de muestra, ej: 1H y 19F se usa entre 2 y

15 mg para moléculas de tamaño medio.

Para hacer el espectro de RMN, se coloca una pequeña cantidad

del compuesto orgánico disuelto en medio mililitro de disolvente en un

tubo de vidrio largo que se sitúa dentro del campo magnético del aparato.

El tubo con la muestra se hace girar alrededor de su eje vertical.

En los aparatos modernos,el campo magnético se mantiene constante

mientras un breve pulso de radiación rf ( radiofrecuencia) excita a todos los

núcleos simultáneamente. Como el corto pulso de radiofrecuencia cubre un

amplio rango de frecuencias los protones individualmente absorben la

radiación de frecuencia necesaria para entrar en resonancia ( cambiar de

estado de espín). A medida que dichos núcleos vuelven a su posición inicial

emiten una radiación de frecuencia igual a la diferencia de energía entre

estados de espín. La intensidad de esta frecuencia disminuye con el tiempo

a medida que todos los núcleos vuelven a su estado inicial.

Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y convierte

dichos datos en intensidad respecto a frecuencia, esto es lo que se conoce

como transformada de Fourier ( FT- RMN). Un espectro de ese tipo puede

registrarse en dos segundos utilizando menos de 5mg de muestra.

Hoy en día los espectrómetros de RMN trabajan a 200, 300, 400, 500

hasta 900 MHz.

'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

Bruker AC200 ( 200 MHz) e inyector automático.

Dotación instrumental:

Existen tres tipos fundamentales de clasificación de los instrumentos

de R.M.N:

a) En función de la frecuencia.

b) En función de la empresa.

c) En función de la fuerza del campo magnético aplicado.

NOTA: Recordar que la relación entre la frecuencia señal y la fuerza del

campo magnético es:

E = h = h 'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

h= cte de Planck.

= Frecuencia.

= radio giromagnético depende del tipo de núcleo.

H0 = Fuerza de campo magnético.

a) En función de la frecuencia:

Existen dos tipos:

  • De onda continua ( CW) :

1.- Se excita cada una de las frecuencias del ancho

espectral haciendo un barrido de frecuencias.

2.- Para un aparato de 100MHz , SW = 1000Hz,

barrido 1 Hz/s, total 1000s, aproximadamente 15 min

por barrido.

3.- CAT ( Sumado de barridos) demasiado lento.

'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

  • Pulsos ( PFT) :

1.- Se excitan todas la frecuencias al mismo tiempo con un pulso

eléctrico.

2.- El pulso que suministra todas las frecuencias es muy rápido

(ms).

3.- Se pueden sumar los barridos (scanes) para después

transformarlos mediante una transformada de Fourier (FT).

'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

En conclusión la técnica más adecuada es la de pulsos.

  • En función de la empresa:

  • Tenemos dos marcas que fabrican aparatos de resonancia Varian y

    Bruker.

    Cada una de ellas tiene una clasificación en función de la frecuencia

    o bien, de la intensidad de campo.

    'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

    Varian 900 Mhz .

    Vamos a comparar dos instrumentos de la misma frecuencia

    usados en el CSIC:

    1.- Espectrómetro avance DRX Bruker 300 Mhz contiene:

    • Ordenador de control: Silicon graphics O2.

    • Sofware: Iris 6.5, xwinnmr 3.0

    • Gradientes en Z.

    • Accesorio para temperatura variable.

    • Cambiador automático de muestras, con capacidad para 60

    muestras.

    - Sondas:

    - Sonda dual de 5mm QNP tetranuclear: H1, C13, P31, F19,

    gradientes en Z.

    • - Sonda dual inversa de 5mm QNI H1-F19.

    2.- Espectrómetro UNITY Varian 300 Mhz contiene:

    - Ordenador de control : Sun Sparc- Station 5.

    • Sofware : Solaris 2.6.1 Vnmr 6.1c

    • Accesorios de sólidos CPMAS.

    • Accesorio para temperatura variable.

    • Estación de trabajo : Spare 1+, Solaris 2.5.1, Vnmr 6.1ª.

    - Sondas:

    Líquidos:

    • Sonda dual directa de 5mm H1- BB, con intervalo de

    frecuencia de 30- 122Mhz.

    • Sonda dual directa de 5mm, tetranuclear H1. C13, P31, F19.

    - Sonda dual inversa de 5mm H1- BB, con intervalo de frecuencia de

    30- 122Mhz.

    Sólidos:

    • Sonda CPMAS de 5mm H1- BB, con intervalo de frecuencia

    de 44 a 82 Mhz.

    • Sonda Wideline.

    A la vista de las características de los aparatos vemos que trabajando a

    la misma frecuencia uno sirve para sólidos y líquidos y otro sólo

    para líquidos, además en el primero podemos cambiar automáticamente

    las muestras teniendo una capacidad de 60.

    También están dotados con 5 aparatos superconductores conectados a la

    red informática del centro que son:

    1.-Bruker AM-200 a 4,697 T: Obtiene espectros de H1 y C13, mono

    o bidimensionales y temperatura variable.

    2.-Varian Gemini 200 a 4,697 T: Lo mismo que el de arriba, pero

    sin temperatura variable.

    3.-Varian Inova 300 a 7,046 T: Obtiene espectros de tanto

    protónicos como heteronucleares mono o bidimensionales,

    temperatura variable y sonda de detección inversa y una sonda

    multinuclear de detección .

    directa.

    4.-Varian Inova 400 a 9,395 T: Igual que el de arriba excepto que

    tiene una sonda de detección inversa con gradientes y no tiene la

    multinuclear directa.

    5.-Varian Unity 500 a 11,744 T: Cubre todo lo que tienen los

    demás e incluso tiene una unidad de excitación selectiva.

    En conclusión:

  • En función del campo magnético y del hardware disponible,

  • cada equipo es utilizado para realizar distintos experimentos,

    por ejemplo el equipo de 250 Mhz se usa habitualmente en

    técnicas de control realizando mayormente espectros

    monodimensionales de cualquier elemento químico en fase

    líquida obteniendo datos que una vez analizados requieren o no

    la utilización de equipos de alta resolución con el objetivo de

    conseguir mejores resultados.

  • Los equipos de alta resolución son utilizados para realizar

  • espectros bidimensionales tanto homo como heteronucleares

    en fase líquida y al disponer de una unidad de gradiente de

    pulso nos permiten ahorrar de forma considerable los

    tiempos de medición, además puede efectuar medidas de

    muestras en estados sólidos, dichas medidas pueden realizarse

    tanto sobre muestras estáticas ( sonda Wideline ) o sobre

    muestras con rotación ( CP/MAS)

    Campos de aplicación.

    En la investigación científica:

    En la actualidad se están efectuando en estos equipos estudios que

    abarcan campos tanto de química orgánica, inorgánica, química física o

    bioquímica, entre ellos podemos destacar:

    • Identificación y estudio estructural de compuestos tanto orgánicos

    como inorgánicos.

    • Estudios de Biomacromoléculas.

    • Determinación de velocidades y mecanismos de reacción.

    • Estudios de comportamientos flusionales.

    • Identificación de compuestos y productos naturales para la industria

    farmacéutica, cosmética, alimentaria,etc.

    • Identificación de compuestos presentes en formulaciones de

    plaguicidas, de gran importancia en la química agrícola.

    - Verificación del grado de pureza de materias primas.

    - Control de calidad de productos químicos.

    - Análisis de drogas y fármacos.

    - Desarrollo de productos químicos.

    Aplicaciones a la medicina.

    A partir del descubrimiento de la Resonacia Magnética Nuclear esta

    fue aplicada a la medicina a partir de los años 80, siento una técnica que

    permite obtener imágenes del organismo de forma incruenta no invasiva,

    sin emitir radiación ionizante en cualquier plano del espacio.

    Posee la capacidad de diferencia mejor que cualquier otra prueba

    radiológica las distintas estructuras anatómicas.

    La obtención de las imágenes consigue mediante la estimulación del

    organismo a la acción de un campo electromagnético con un imán de 1.5 T

    como máximo.

    Este imán atrae a los protones que están contenidos en los átomos de

    los tejidos que se alinearán con el campo magnético. Cuando se interrumpe

    el pulso, los protones vuelven a su posición original de reposo, liberando

    energía y emitiendo señales de radio que son captadas por un receptor y

    analizadas por un ordenador que las transformará en imágenes.

    Esta transformación se realiza por medio de unos parámetros

    denominados T1 y T2 que en función del tejido producen unas señales

    diferentes.

    En la resonancia las imágenes se realizan mediante cortes en tres

    planos : Axial, coronal y sagital, sin necesidad de cambiar de posición al

    paciente.

    Aparatos de RMN.

    Visitamos dos centros hospitalarios en La Coruña, en los cuales nos

    mostraron los aparatos con los que trabajan:

    • Juan Canalejo tienen dos aparatos de RMN ( 0.5 T y 1.5 T):

    En el de 1.5 T entramos y comprobamos la fuerza del campo

    magnético con unas llaves que nos permitieron introducir y

    acercar progresivamente al aparato. También pudimos

    comprobar el pulso escuchando los ruidos que desprende.

    Nos explicaron que para introducir a los pacientes

    utilizan distintas antenas ( sujeciones) según la zona a tratar.

    Dentro de la maquinaria había un refrigerante de enorme

    dimensión ya que el aparato se caliente mucho, además se

    podía elegir la intensidad electromagnética.

    Nos permitieron ver como se hace una resonancia a un

    paciente y comprobamos que en 12 segundos ya tenía nueve

    imágenes de este tipo en el ordenador:

    'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

    En el Hospital Santa Teresa tienen uno de 0.5 T:

    Se comprobó que era de menor tamaño y más ruidoso. En este

    caso la maquinaria está en la misma habitación del aparato,

    con un refrigerante mucho más pequeño y sin posibilidad de

    selección de tantos parámetros como en el anterior.

    Ventajas e inconvenientes de la resonancia en seres humanos:

    Ventajas:

    - Es muy segura ya que no produce radiación ionizante.

    • No es invasiva para el paciente.

    • No hay dolor ni necesidad de punciones.

    • Tiene una gran capacidad de resolución.

    Inconvenientes:

    • Puede producir claustrofobia.

    • El ruido intenso puede llegar a ser muy molesto.

    • Es relativamente caro.

    • En algunos casos puede ser necesario inyectar contraste.

    Riesgos:

    • En el campo magnético estático.

    • El de gradiente de campo magnético.

    • Las ondas de radiofrecuencias.

    'Espectrómetro de resonancia magnética nuclear'

    Aparato de RMN médico