rmn clase 01

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Resonancia Magnética Nuclear

Clase 01

2016

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Espectroscopía de RMN es una forma de espectroscopia de Absorción.

Resonancia Magnética Nuclear

La mayoría de las espectroscopias requieren transiciones de electrones ( p.ej. – UV-Visible e Infrarrojo)En RMN, son los núcleos de los átomos los que producen la respuesta.

Es necesario aplicar un campo magnético para que se produzcan los nivelesenergéticos que se lugar a las transiciones que por absorción de energía.

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Nucleo de espín½ = “ Barra Magnética”

Aparición de estados energéticos de núcleos en presencia

de un campo magnético.

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Nucleo de espín½ = “ Barra Magnética

Aparición de estados energeticos de núcleos en presencia

de un campo magnético.

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Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H

(espín ½) en un campo magnético

Sin la aplicación de un campo

magnético, no existe división de

energia

Ea0

hv E

C a m

p o m a g n é t i c o a p l i c a d o B o

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Los núcleos como los electrones tienen la propiedad de“espín”, que está caracterizada por:

p momento angular cuantizado en unidades de h /(2π)

I número cuántico de espin

toma valores enteros o semienteros

El momento angular esta relacionado directamente con el

momento dipolar magnético μ, a través de

2

1 h

I I p

2

1 h

I I p

constante giromagnética, depende del tipo de núcleo

Estados energéticos de los núcleos en presenciade campos magnéticos

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Estados energéticos de los núcleos en presencia de campos

magnéticos

I I-1 I-2 -I ●●●

Existen 2I+1 estados energéticos discretos:

Este es el caso de 1H, 13C, 19F y 31P que tiene espín ½, por lo tanto

tienen:

½ -½

La situación mas simple se da para un sistema con dos estados de

energía, p.ej. –

I = ½.

Este es llamado el estado magnético cuántico, mI.

Niveles para spin 1/2= 2I+1 = 2*(1/2)+1= 2

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Descripción mecano-cuántica de la RMN

El momento angular está cuantizadoNiveles nucleares de Zeeman

I es un número cuántico de espín que viene determinado principalmente por elnúmero de protones y neutrones desapareados.

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Los núcleos con I = 0, L= 0, lo que implica que =0 y no son activos en RMN o no dan

señal RMN.

Descripción mecano-cuántica de la RMN

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Nucleos magnéticamente activos

Z es par y A es par I = 0IA

Z

Z es par o impar y A es impar I =

½, 3/2, 5/2… I

A

Z

C12

6

O16

8

S32

16

H1

1C

13

6P

31

15

Z es impar y A es par I = entero1,2,3….

I AZ

H 21

Li 63

N147

Todos 1/2

Todos 1

I = 0 inactivo

I > ½ Núcleo cuadrupolar (poseen momento eléctrico cuadrupolar,-carga nuclear no esferica-posee rápida relajación)

I = ½ nucleo activo

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Propiedades Magnéticas de los cuatro núcleos mas

comúnmente usados en RMN.

Todos estos nucleos tiene spin I = ½!http://www.chem.tamu.edu/services/NMR/periodic/index.shtml

Núcleo

Cte giromagnetica

(radian T-1 s-1)

Sensibilidad

Relativa

Frecuencia de

absorción (MHz)

1H13C19F31P

2.6752 x 108

6.7283 x 107

2.5181 x 108

1.0841 x 108

1.00

0.016

0.83

0.066

400

100.6

376.5

162.1

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Nucleos magnéticamente activos

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Calculo del momento angular y el momento magnético asociado al espín

del protón y del sodio.

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Energía Potencial, E , y la diferencia de diferencia entre los dos estados :

0

02

1

4 B

h E

02

1

4 B

h E

0

2 B

h E

C a m p o m a g

n é t i c o a p l i c a d o B

o



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La población relativa depende de la ecuación de Boltmann

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0

2 B

mh E m

En general, la energía potencial, E , de una energía estado/orientación esta

relacionado al número cuántico:



A 60MHz y 25oC

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Transiciones de energía en estados de los núcleos

Ecuación de Planck relación entre ΔE y la frecuencia aplicada ν 0

0hv E

00

0

00

0

0

0

2or

2

2

B E v

Bv B

h

Bh

v

h

E v

0

2 Bmh E m

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Relación entre frecuencia de resonancia y lafuerza del campo aplicado

00 B E v

MHz vTesla

v

Tesla

MHz

B

v

B

v

500 7.114.9

400

2

2

0

2

10

1

2

MHz C v

C v

MHz

MHz

MHz

C v

H v

C v

H v

125 500

100

400 13213

2

13

2

1

213

1

1

1

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Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de1H (espín ½) en un campo magnético

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El experimento de onda continua

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μZμ

ω0

ω

B0

m=+1/2

θ

Absorción*

Emisión μZμ

ω0

ω

B0

m=-1/2

θ

*radiación circularmentepolarizada

μZ Vector de campo magnetico marco de referencia rotante μ espin axial del núcleoθ ángulo entre vector magnetico y el eje de espian de la particual

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Primer espectro de un compuesto sólido – Purcell

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Premio Nobel en Física 1952

Felix Bloch y Edward Mills Purcell

Por el desarrollo de un nuevo método para medir medianteun método preciso la resonancia magnética y los descubrimientos asociados "

Prof. Felix Bloch

Stanford University, Stanford, CA, USA

Prof. Edward Mills Purcell

Harvard University, Cambridge, MA, USA

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Primer espectro de RMN observado por Bloch

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Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

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Instrumentación – Primero equipos

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Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

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μZμ

ω0

ω

B0

m=+1/2

θ

Absorción*

Emisión μZμ

ω0

ω

B0

m=-1/2

θ

*radiación circularmentepolarizada

μZ Vector de campo magnetico marco de referencia rotante μ espin axial del núcleoθ ángulo entre vector magnetico y el eje de espin de la partícula

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x

y

z

B 0 B 0

x

y

z

M 0

El experimento de transformada de Fourier

Sistema de referenciadel Laboratorio

(estático)

Sistema de referenciarotante

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B 0

x

y

z

M 0

Sistema de referencia rotante


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time

Delay P u l s e

D

e l a y

Acquisition

time


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El d f d d F

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B 0x

y

z

M 0

RF

B 1

α

B 0x

y

z

B 1

M z

M y

1

B α angle of rotation in radians

γ magnetogyric ratio (radians T -1

s-1

)B 1 induced magnetic field (T)τ pulse width (s)

cos0

M M y


El i d f d d F i

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time

B 0x

y

z

M 0


El i d f d d F i

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time

x

y

z

M 0

x

y

z

M 0x

y

z

M 0 x

y

z

M 0

0


R l j ió d M d FT RMN

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Relajación de M xy durante FT-RMN

Respuesta debido a T 1 y T 2

Las bases de la RMN con transformada de Fourier:

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Las bases de la RMN con transformada de Fourier:El decaimiento inducido libre – Free induction decay

M d l l ó ñ l d

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Mejora de la relación señal-ruido

n N

S

nn

nn

n

n N S

n N

nS

Con la acumulación digital de FIDs,

Donde n es el número total de “scans” adquiridos


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El i t d t f d d F i

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p f


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49/56

p


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50/56

p


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51/56

p


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p

Instrumentación RMN: Imán superconductor

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Instrumentación RMN: Imán superconductor

Diseño standard

magneto de equipos de300-600 MHz

I t t ió C t

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FrequencySynthesizer

Pulse Switch

RF Transmitter

“Preamp”

Phase SensitiveDetector

Computer to

Perform FT

Output(Video/Hard Copy)

S N

RF Amplifier

Directional Coupler

HIGH SPEEDData Recorder

Instrumentación: Componentesprincipales del equipo

Instrumentación: Componentes principales del equipo

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Probe Magnet Leg/Interface

VT Control RF Amplifiers

PreAmplifiers Power Supply

p p p q p

Instrumentación: Equipos de alto campo. 800 MHz

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q p p

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