Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), 1° parte. Introduzione: come dialogano atomi e magneti?

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di Nicole Ticchi

molecola modellinoUna delle maggiori sfide nella chimica di tutti i tempi è la possibilità di dare un’identità precisa e univoca a tutte le sostanze.   Il chimico, nella vita di tutti i giorni, osserva, studia, analizza o sintetizza molecole di ogni tipo, più o meno complesse.   Fare la carta d’identità di una sostanza, di qualsiasi tipo essa sia, non è cosa da poco, ma rappresenta al giorno d’oggi una risorsa preziosissima nello studio di tutto ciò che ci circonda.   E non solo.   Medicina, chimica, biologia e fisica sono mondi strettamente collegati tra loro e non vi è innovazione in un campo che non possa trovare applicazione anche negli altri.   Basti pensare a tutta la strumentazione reperibile nei laboratori medici, di analisi chimica o biotecnologica, nulla di ciò esisterebbe se non fosse per le scoperte, le innovazioni e le conquiste nel campo della fisica.

NMR Bruker 600 in laboratorio

NMR Bruker 600 in laboratorio

Nella moderna concezione generale della chimica, quando pensiamo ad una molecola, le immagini che si profilano davanti ai nostri occhi sono ben definite: esagoni, linee e quant’altro, ormai le formule non sono più un segreto per noi.   Pensiamo ad una sostanza, ne digitiamo il nome su internet e voilà!   Ecco servita la formula!   Facile no?   E questo vale per, ormai, la maggior parte di quello che impariamo.   Siamo talmente abituati ad avere una marea di informazioni di ogni tipo e provenienza che spesso non ci soffermiamo a pensare a come queste informazioni siano state acquisite nel tempo e con quali mezzi.
Come è possibile, per esempio, che siano state individuate, nell’ultima metà del 1900, le strutture molecolari di milioni e milioni di sostanze e che sia ormai automatico identificare e schedare una molecola nel giro di pochi minuti? Le tecniche di indagine strutturale e di studio delle proprietà chimico-fisiche nel campo chimico, biologico e medico hanno fatto e stanno tuttora facendo passi da gigante.   La possibilità di studiare sistemi dai più semplici, come le singole molecole, o più complessi, come i sistemi biologici e gli organi del corpo umano, ha rappresentato una svolta epocale nella storia dell’evoluzione tecnologica, portando a notevoli e repentini progressi in vari campi scientifici.
Una delle tecniche più quotate in questo senso, che ci permette di intuire la struttura chimica di una molecola, di disegnarne i legami e disporre gli atomi che la compongono, è la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare.   Questa, insieme ad altre tecniche come la spettrometria di massa, è alla base della caratterizzazione strutturale di molecole organiche.   Grazie ad esse siamo in grado di dare un nome ed un volto alle sostanze che ci troviamo tra le mani, per esempio in seguito ad una sintesi o alla purificazione di una matrice di origine naturale.

Il nome così altisonante di questa tecnica, abbreviata con l’acronimo NMR, deriva dal fatto che viene sfruttata proprio una delle proprietà di base di alcuni atomi, ovvero la capacità di creare un campo magnetico attorno a sé stesso grazie alla rotazione intorno al proprio asse.

inversione di spin nucleare

inversione di spin nucleare

La rotazione del nucleo atomico su se stesso crea quello che viene definito in fisica un momento magnetico: l’elemento più semplice avente momento magnetico nucleare, nonché il più importante, è l’idrogeno.   Proviamo a immaginare il protone di cui è composto l’atomo di idrogeno come una palla che ruota su se stessa e uniformemente carica: le porzioni infinitesime di carica generano un campo magnetico la cui entità dipende dalla loro distanza dall’asse di rotazione.   Tale rotazione viene definita come spin, o momento angolare intrinseco.   Mentre per gli oggetti macroscopici il momento angolare è associato con la massa, per lo spin quest’ultima non è richiesta: infatti, sia i fotoni, che hanno massa pari a zero, sia le particelle elementari come gli elettroni, che sono considerate puntiformi, possiedono uno spin.   Le proprietà di spin dei protoni e dei neutroni si combinano per definire lo spin totale dei nuclei, da cui deriva il loro eventuale momento magnetico.   Infatti, non tutti i nuclei atomici possiedono proprietà magnetiche, ma solo nuclei con numero atomico e/o massa atomica dispari, ovvero quando il loro numero quantico di spin I è ±1/2.

Perché è importante che un nucleo possieda proprietà magnetiche?  Perché proprio sfruttando questa proprietà è possibile far interagire il campo magnetico generato dalla particella in rotazione su sé stessa con un campo magnetico esterno, applicato in uno spazio all’interno del quale è posizionata la particella.   A dire il vero, fra gli atomi che noi conosciamo e che siamo abituati a vedere sulla tavola periodica, ben pochi possiedono questa proprietà.  Sappiamo che i nuclei degli atomi sono costituiti da protoni e neutroni, i quali hanno approssimativamente la stessa massa e, così come gli elettroni, sono situati all’interno di orbitali.

Transizione tra due stati di spin nucleare

Transizione tra due stati di spin nucleare

Quando il numero di protoni o neutroni è pari gli orbitali sono pieni e, poiché sono dotati di un momento angolare, nel riempire gli orbitali possono appaiarsi (spin up-spin down, esattamente come avviene per gli elettroni) annullando la risultante; se in qualcuno di questi orbitali non c’è appaiamento completo vi sarà una risultante non nulla, condizione necessaria affinchè la particella possa generare un momento magnetico e interagire con il campo esterno. Quali nuclei sono quindi adatti ad essere studiati con questo tipo di tecnica spettroscopica?  Quello più studiato è sicuramente l’idrogeno, indicato come 1H, il cui nucleo è costituito da un solo protone.  Il secondo classificato, come importanza e rilevanza scientifica, è il carbonio-13, anche indicato come 13C: si tratta dell’isotopo meno abbondante del carbonio (lo troviamo in natura con un’abbondanza relativa dell’1,1%), costituito da 6 protoni e 7 neutroni, rispetto al più noto carbonio-12 che possiede un neutrone in meno e numero quantico di spin nullo.  Proprio così, sarebbe inutile provare a studiarlo in NMR, non è in grado di interagire con il campo magnetico esterno.   Altri nuclei molto studiati con questa tecnica sono l’azoto (14N) e il fosforo (31P).   Se ci pensiamo bene, sono tutti atomi che costituiscono lo scheletro di base delle molecole organiche e che costituiscono le molecole alla base della vita: carboidrati, proteine, grassi e non solo!

Ma andiamo avanti.   Quando il nucleo si trova in un campo magnetico esterno, il suo spin si allinea con esso, ovvero fa sì che il protone si comporti come un piccolo magnete con un polo nord ed un polo sud.   Abbiamo detto che il numero di spin può assumere 2 valori, uno positivo e uno negativo, i quali definiscono due livelli di energia, uno più basso e uno più alto: in quello ad energia più alta, il momento magnetico si oppone al campo esterno, in quello ad energia più bassa, momento e campo sono allineati.   L’assorbimento di un fotone, di una radiazione è in grado di indurre una transizione tra i due stati energetici di una particella facendola passare dallo stato di bassa energia allo stato a più alta energia.   Ovviamente il contenuto energetico di questo fotone deve essere esattamente pari alla differenza di energia tra i due stati.   Qual’è l’entità di questa energia?
La meccanica quantistica ci insegna che l’energia E di un fotone è correlata alla sua frequenza ν grazie alla seguente equazione
E = h ν
in cui h rappresenta la costante di Plank.
campo magneticoLa frequenza ν, a sua volta, oltre che dall’intensità di campo magnetico, indicata con B, dipende dal rapporto giromagnetico γ della particella.   Il rapporto giromagnetico, che differisce da nucleo a nucleo, indica la frequenza con cui un nucleo si muove attorno ad un campo magnetico esterno; il valore di questo rapporto è positivo se momento magnetico e momento angolare sono paralleli, negativo se sono antiparalleli.
ν = γ Bo
Ad esempio, per l’idrogeno, γ = 42.58 MHz / T.

In definitiva, l’energia di cui il fotone ha bisogno per provocare una transizione tra i due stati dello spin può essere espressa così:
E = h γ Bo
Questa equazione viene definita come condizione di risonanza, ovvero la condizione necessaria affinchè avvenga una transizione tra i 2 stati di spin; la frequenza di irradiazione viene definita, di conseguenza,
frequenza di risonanza o, in gergo, frequenza di Larmor.

 

QUANDO L’ATOMO FA PARTE DI UNA MOLECOLA: L’INFLUENZA DELL’INTORNO CHIMICO NELL’NMR

Ma perché è importante l’interazione con un campo magnetico per ottenere informazioni strutturali?
Nuclei diversi immersi in un campo magnetico interagiranno con questo in maniera diversa, fornendo, di conseguenza, segnali diversi.
Ma facciamo un passo indietro.

schema concettuale NMR

schema concettuale NMR

Per fare un esperimento di questo tipo abbiamo bisogno di due risorse fondamentali: un campo magnetico e una fonte di radiazioni.  All’interno del campo magnetico dovremo poi immergere, letteralmente, la nostra particella, molecola, composto di cui desideriamo ottenere informazioni strutturali.  Ci sono due modalità per condurre l’esperimento: la modalità ad onda continua, ormai superata dalla più recente modalità a impulsi, prevede che un magnete generi il campo magnetico necessario ad indurre l’intervallo tra i livelli energetici degli atomi attivi nel campione in esame, mentre, contemporaneamente, un emettitore di onde lo bombarda ad una frequenza ben precisa.  Il campo magnetico viene quindi aumentato un po’ alla volta e, come in tutte le tecniche spettroscopiche, un rivelatore registra l’assorbanza del campione ad ogni intensità di campo, ovvero quanta parte della radiazione incidente si perde al passaggio attraverso il campione.   Dato che la frequenza di risonanza di un nucleo attivo è direttamente proporzionale al campo applicato, mano a mano che il campo aumenta crescono anche le frequenze di risonanza; quando le frequenze di risonanza diventano pari a quella incidente, tutti gli atomi capaci di farlo assorbiranno quanti di energia, e l’assorbanza misurata sarà più alta.   La seconda modalità, invece, utilizzata dagli spettrometri più moderni, consiste nel mantenere costante il valore del campo magnetico aumentando, invece, la frequenza della radiazione incidente.   Il risultato non cambia, si ottiene sempre un grafico con l’assorbanza sull’asse delle y, ed una quantità utile a definire l’energia fornita sull’asse delle x.

diversi intorni chimici per atomi di carbonio

diversi intorni chimici per atomi di carbonio

Ma stando a quanto detto finora, se tutti i nuclei attivi magneticamente entrano in risonanza allo stesso modo e tutti gli isotopi uguali si comportano allo stesso modo dando luogo ad un assorbimento di energia della stessa entità, come è possibile distinguere tra loro i nuclei in modo da correlare ogni segnale ad una data posizione nella struttura della molecola? I modelli di comportamento fisico delle particelle vengono descritti assumendo che questa si trovi nel vuoto in assenza di forze di ogni genere che agiscano su di essa, determinando in questo modo un comportamento ideale.  Se così fosse, dal nostro esperimento non otterremmo alcuna informazione utile sulla struttura del nostro campione.   Fortunatamente, i comportamenti ideali difficilmente si verificano, pertanto l’idea che una particella non sia influenzata dal suo ambiente circostante trova poco spazio nella realtà dei fatti.   Ed è proprio questa influenza a darci le informazioni che ci servono!  I nuclei, infatti, sono dotati di un intorno chimico, costituito da altri atomi e/o altre molecole che li circondano con le relative nubi elettroniche, ed essi stessi sono circondati dalla propria “nube” di particelle cariche in moto.
Il campo magnetico applicato induce, pertanto, sull’intorno elettronico di ogni nucleo, un campo magnetico locale opposto.   La nube elettronica provoca una modificazione locale del campo applicato che viene definita schermatura.  A questo punto il campo effettivo risultante viene indicato con l’equazione seguente, dove σ indica l’entità della schermatura elettronica:

Blocale = B0(1-σ)

Se riprendiamo l’equazione della frequenza di risonanza e la integriamo con questa, emerge che, a seconda dell’intorno chimico in cui è immerso un certo nucleo, la frequenza di risonanza può risultare più bassa di un fattore (1-σ) , poiché il campo magnetico indotto è opposto a quello applicato:

ν = γ B0(1-σ) / 2π


Ciò si traduce in una differente posizione dei picchi di assorbimento a seconda proprio dell’intorno chimico: osservando lo spettro è possibile fare considerazioni sullo schermo elettronico associato ai vari nuclei che li hanno generati.

tetrametilsilano (TMS)

tetrametilsilano (TMS)

Ecco quindi che si parla di spostamento chimico dei nuclei.  Ma spostamento rispetto a cosa?
Come in ogni tecnica di indagine è necessario effettuare un’analisi confrontando il dato ottenuto con uno standard.   Lo spostamento chimico si ricava mettendo in relazione gli schermaggi dei vari nuclei con nell’NMR del C-13 e del protone si usa il tetrametilsilano (in gergo, TMS).
A questo punto occorre specificare che gli atomi possono comportarsi reciprocamente in due modi diversi, ovvero schermando e deschermando; nel primo caso, si tratta di atomi elettron-donatori, ovvero atomi che tendono ad estendere la propria nube elettronica agli atomi adiacenti, nel secondo caso di atomi elettron-attrattori, che al contrario attraggono la nube elettronica lasciando i nuclei vicini meno schermati.
Tanto più grande è la densità elettronica, tanto maggiore sarà l’entità della schermatura.   Di conseguenza, i nuclei che si trovano in un intorno ricco di elettroni risentiranno di un campo magnetico più basso e subiranno la transizione ad una frequenza più bassa rispetto ai nuclei situati in un intorno povero di elettroni.
L’atomo di silicio, che è elettron-donatore, è il meno elettronegativo dei tre elementi che costituiscono il TMS, infatti carbonio ed idrogeno sono altamente schermati.  Inoltre, per ragioni di simmetria della molecola, tutti gli atomi di carbonio e tutti gli atomi di idrogeno sono schermati nella stessa misura, quindi si avrà un segnale unico che viene preso come 0 della scala.   Generalmente, protoni o carboni adiacenti ad atomi elettronegativi risultano deschermati, ovvero risentono di un campo magnetico applicato più intenso e subiscono transizione a frequenze più alte, quindi nello spettro si trovano ad uno spostamento chimico più alto.   Per avere una misura dello spostamento chimico che sia indipendente dal campo magnetico applicato di utilizza lo spostamento chimico relativo, misurato in ppm (Hz/MHz) ed indicato con la lettera δ.   Per convenzione, sia per 1H-NMR che per 13C-NMR, lo zero della scala è attribuito all’assorbimento all’NMR del TMS nel quale i carboni e i protoni sono più fortemente schermati di quanto si osserva nella maggior parte delle altre molecole organiche.   Per 1H-NMR, la scala d generalmente si estende da 0 a 12 ppm, mentre per 13C-NMR è molto più ampia e copre l’intervallo 0-220 ppm.

spettro NMR dell'isopropanolo

spettro NMR dell’isopropanolo

In base allo spostamento chimico è possibile distinguere, per esempio nel caso del protone, a quale gruppo funzionale appartiene un determinato H, e, in base al tipo di segnale, multiplo o singolo, è possibile determinare se è legato ad un determinato atomo singolarmente o è circondato da altri atomi di H con cui può accoppiarsi.   Di conseguenza ciò permette di ottenere una serie di importantissime informazioni strutturali e sull’intorno del tipo di nucleo che stiamo studiando.
Inoltre, è possibile ricavare informazioni quantitative grazie al fatto che il segnale che ci viene fornito dall’elaborazione dei dati ottenuti è rappresentato da un picco, la cui area è proporzionale all’entità dell’assorbanza; pertanto, calcolando tale area in riferimento ad un segnale noto, siamo in grado di risalire al numero di nuclei relativi a quel dato segnale.

C’è un altro fattore che dobbiamo considerare prima di avventurarci nel magico mondo della spettroscopia NMR.   Se osserviamo uno spettro noteremo subito che il numero dei picchi supera di gran lunga il numero dei nuclei presenti nella nostra molecola.   Com’è possibile?   Grazie al fenomeno dell’accoppiamento spin-spin.   Un protone risente del campo magnetico posto intorno a lui e, a seconda che nel suo intorno vi siano 0,1,2,3 o più protoni cambierà notevolmente l’entità del campo magnetico da lui risentito.   Il risultato è che, in base a tutte le possibili combinazioni di orientamento del campo esterno applicato e indotto dai nuclei e al numero di protoni che interagiscono tra loro, l’entità e l’identità del segnale varieranno dando luogo ad un numero di picchi differente.   Questo aspetto è di fondamentale importanza nell’interpretazione di uno spettro NMR, a prescindere dal tipo di nucleo di cui si parla.

 

LO SPETTROMETRO NMR

Ma come è fatto uno spettrometro per risonanza magnetica nucleare?
Come abbiamo detto qualche riga fa, i due componenti fondamentali che costituiscono questo strumento sono la sorgente di campo magnetico e il generatore di radiazioni, corredati ovviamente dal sistema di acquisizione ed elaborazione dati.   In passato, quando i campi magnetici non prodotti da elettromagneti non erano molto diffusi e la superconduttività, ancora sperimentale, si affacciava nel mondo scientifico con strumenti non ancora commerciali, venivano largamente usati i magneti permanenti.

radiofrequenza e campo magnetico in uno spettrometro NMR

radiofrequenza e campo magnetico in uno spettrometro NMR

Al giorno d’oggi, invece, i superconduttori rappresentano la frontiera tecnologica più avanzata nel campo della spettroscopia NMR.   L’uso dei superconduttori permette, infatti, di poter disporre di campi magnetici sempre più intensi e di strumenti di conseguenza più potenti e ciò, di pari passo con una dotazione elettronica sempre più all’avanguardia, ha consentito lo studio strutturale anche di molecole che con i vecchi spettrometri sarebbe stato arduo analizzare.
I campi magnetici, infatti, possono essere prodotti anche da elettromagneti e superconduttori.   Gli elettromagneti sfruttano il passaggio di corrente in un conduttore il quale, quando è percorso da cariche elettriche in moto, produce un campo elettrico indotto ma anche un campo magnetico esterno, proporzionale alla quantità di cariche che fluiscono.  Questi magneti producono campi relativamente modesti che però necessitano dell’erogazione di una grande quantità di energia elettrica e, per il conseguente effetto Joule prodotto, anche di un efficace sistema di raffreddamento. solitamente ad acqua, per dissipare il calore prodotto dalla grande quantità di cariche in movimento.  Questo ha prodotto la necessità di pensare ad una valida alternativa, ovvero un materiale in grado di condurre l’elettricità creando campi magnetici elevati ma che allo stesso tempo non comporti un surriscaldamento della struttura.   Per un metallo alle temperature ordinarie, la conducibilità elettrica è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta.   Gli atomi del conduttore metallico formano un reticolo che vibra quanto più è alta la temperatura del conduttore stesso.   Gli elettroni, che si muovono attraverso il reticolo, non procedono in linea retta a causa delle collisioni che avvengono tra loro quindi perdono energia sotto forma di calore.  I superconduttori, come gli elettromagneti, sono considerati tra i materiali resistivi ma, in realtà, è proprio la loro capacità di non opporsi al passaggio della corrente elettrica che li rende tali.
Il generatore di campo magnetico degli strumenti più moderni, pertanto, è costituito da una bobina di un materiale superconduttore, spesso rappresentato da una lega metallica di niobio e titanio, che a bassissime temperature (-270° C!) non oppone alcuna resistenza alla corrente, perciò questa continua a girare nella bobina senza richiedere di essere alimentata; si definiscono criomagneti.

refill di azoto liquido in un NMR

refill di azoto liquido in un NMR

Ma come è possibile raggiungere tali temperature?  Grazie all’ausilio di liquidi refrigeranti come l’elio e l’azoto.   La bobina è immersa in una specie di vaso cilindrico, detto dewar, interno allo spettrometro che viene riempito di elio liquido; nonostante lo strumento sia ben isolato, la temperatura esterna molto più elevata rispetto a quella interna provoca una considerevole evaporazione del liquido, il cui livello tende ad abbassarsi gradualmente. Per rallentare il più possibile questo processo di evaporazione viene introdotto all’interno dello strumento, in un dewar esterno ed adiacente a quello contenente l’elio, anche l’azoto liquido che, fornendo una temperatura di -79°C, mantiene l’elio allo stato liquido. Ovviamente l’azoto evapora molto più in fretta rispetto all’elio, quindi, se per quest’ultimo i tempi di esaurimento e rifornimento sono molto più dilazionati, per l’azoto è necessario effettuare il refilling con una frequenza decisamente maggiore, in funzione anche delle dimensioni dello strumento.
Le unità di misura che indicano il flusso di un campo magnetico sono i Gauss ed i Tesla; è ormai entrata nella terminologia di uso comune l’abitudine di indicare la grandezza di un magnete, e quindi il campo magnetico da esso prodotto, facendo riferimento alla frequenza di risonanza del protone.  Pertanto se si parla di un magnete da 90 MHz si vuole indicare un campo magnetico da 2,11 Tesla nel quale il protone risuona appunto a 90MHz. Negli ultimi anni il progresso tecnologico ha portato alla costruzione di strumenti che arrivano ai 100 MHz di un elettromagnete e ai 900 MHz – 1 GHz di un criomagnete.

FID (Free Induction Decay)

FID (Free Induction Decay)

Occupiamoci ora della sorgente di radiazioni.  Nei primi strumenti l’analisi veniva eseguita irradiando il campione immerso nel campo magnetico con un fascio di onde radio di frequenza via via crescente in modo da eccitare in sequenza tutti i nuclei in esame e veniva registrata l’entità della radiazione assorbita.  Questa tecnica, però, risultava molto lenta e oggi non viene più utilizzata. Nei moderni strumenti, invece, il segnale viene generato con il metodo ad impulso e la trasformata di Fourier; in questo modo tutti i nuclei di una specie vengono eccitati contemporaneamente da un impulso che con  tiene tutto l’intervallo di frequenze necessario e i dati vengono poi elaborati al computer con la tecnica della trasformata di Fourier.  In cosa consiste?  Il segnale ottenuto sarebbe un segnale oscillante con frequenza ν, la frequenza di Larmor del nucleo in esame, che si smorza nel tempo e che viene definito FID (Free Induction Decay), libero decadimento dell’induzione; questo accade perché quando si interrompe l’impulso di radiofrequenza i nuclei eccitati continuano ad emettere per qualche istante un debole segnale di radiofrequenza che si spegne nel tempo, una specie di eco del segnale assorbito.  Il segnale che noi vedremmo sarebbe una misura dell’intensità dell’energia trasmessa in funzione del tempo; ma per avere un’informazione utile ed elaborabile ci serve trasformare questi dati ottenendo un’espressione dell’intensità in funzione della frequenza.

 

GLI SPETTRI NMR

La trasformata di Fourier non è altro che un’operazione matematica che ci permette di scomporre e successivamente ricombinare un segnale generico in una somma infinita di sinusoidi con frequenze, ampiezze e fasi diverse ottenendo così l’insieme di valori in funzione della frequenza.

Quindi, se reduci da un’intensa attività di laboratorio volessimo analizzare il frutto del nostro lavoro?
Dobbiamo tenere conto ancora di qualche accorgimento.  Per una buona riuscita della nostra analisi è necessario ottenere una buona risoluzione, caratteristica comune a tutte le tecniche analitiche.

tubo per NMR

tubo per NMR

Per fare questo occorre che i segnali del nostro spettro, rappresentati da picchi, risultino stretti e assomiglino il più possibile a righe.  E’ necessario, pertanto, che il campo magnetico attorno al campione sia il più possibile omogeneo.  Il campione viene inserito in un tubicino del diametro di 5mm e lungo circa 20cm, disciolto in un opportuno solvente che presenta la caratteristica peculiare di essere “deuterato”: gli atomi di idrogeno che costituiscono la molecola vengono sostituiti da atomi di deuterio, isotopo dell’idrogeno con peso atomico pari a 2.  Perché?  Se vogliamo registrare lo spettro NMR dei protoni presenti nel nostro campione dobbiamo essere sicuri che i segnali rilevati siano relativi esclusivamente a loro, pertanto dobbiamo escludere qualsiasi altra fonte di protoni, come appunto il solvente.  I solventi utilizzati sono in genere deuterati (CDCl3, CD3COCD3), in quanto, oltre al fatto che il nucleo più indagato è senza dubbio 1H, per cui è necessario evitare solventi contenenti idrogeni per non avere nello spettro grossi segnali dovuti al solvente, il segnale del deuterio viene utilizzato dallo strumento per effettuare una serie di operazioni automatiche che garantiscono la stabilità del campo magnetico applicato e dall’operatore per valutare l’omogeneità del campo stesso.

sezione di uno spettrometro NMR

sezione di uno spettrometro NMR

Il campione viene introdotto da una apertura nella parte superiore e calato all’interno del magnete grazie ad un flusso di aria compressa che lo mantiene in galleggiamento fino al raggiungimento della posizione ottimale. Se il flusso di campo che investe la porzione di liquido analizzato non è omogeneo, accade che nuclei posti in posizioni diverse del campione risentano di diversi valori di campo e daranno, di conseguenza, risonanza a frequenze diverse.  Risultato?  La somma di tutte le diverse risonanze darà origine ad una banda allargata.  Se, al contrario, il campo è omogeneo, tutti i nuclei risentono dello stesso flusso di campo e risuoneranno quindi alla stessa frequenza producendo un segnale stretto.  Per ottenere l’omogeneità del campo vengono svolte, simultaneamente, due azioni, chiamate in gergo lock e shim.
Il lock, o rotazione del campione, permette di “sistemare” il campione nello spazio in cui è presente il campo magnetico e regolare le posizioni dei vari nuclei, mentre lo shim è un’operazione che prende il nome dalle “shimming coils”, una serie di spirali poste intorno al sistema di analisi che producono piccoli campi magnetici di intensità e direzione regolabile.  Entrambe le operazioni di aggiustamento di questi campi vengono eseguite per ogni campione all’inizio di ogni analisi e sono fondamentali per ottenere un buon risultato.
Come dicevamo all’inizio, i nuclei che si possono indagare sono diversi a seconda delle informazioni che si vogliono ottenere; in chimica organica, dove questa tecnica è usata prevalentemente per confermare o determinare strutture semplici di molecole non troppo grandi, i nuclei di interesse sono rappresentati da 1H e 13C. A questo proposito, vi è una differenza a livello operativo fra questi due esperimenti, dovuta al fatto che se si intende registrare uno spettro al protone si possono utilizzare soluzioni molto diluite, poiché grazie alla elevata sensibilità del protone e soprattutto alla sua elevata abbondanza isotopica, il segnale di risonanza prodotto sarà comunque molto intenso; al contrario, se vogliamo registrare uno spettro del 13C, che ha un’abbondanza naturale dell’1,1%, sarà necessario utilizzare soluzioni molto più concentrate.

Questa tecnica, alla luce di quanto detto, ci offre un panorama di possibilità non indifferente; la chimica, intesa come scienza degli atomi, delle molecole e delle innumerevoli combinazioni in cui essi si articolano, non è che uno dei possibili campi di applicazione.  Se pensiamo che noi stessi, intesi come organismi viventi, non siamo altro che una struttura complessa e ben concertata di cui atomi e molecole rappresentano i costituenti principali, i piccoli mattoncini che si organizzano a loro volta in strutture via via più complesse, non diventa difficile immaginare come la spettroscopia NMR possa fornire buoni risultati anche nello studio delle macromolecole, degli organi e del corpo umano.  Proprio così, medicina e chimica sono due risvolti della stessa medaglia, possono affrontare le stesse problematiche a due livelli differenti, microscopico l’una e macroscopico l’altra.

 

 

2 risposte a Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), 1° parte. Introduzione: come dialogano atomi e magneti?

  • Silvia scrive:

    Grazie per l’articolo… ne avevo proprio bisogno… mi ha chiarito molti dubbi…devo studiare questa tecnica per un esame che ho fra non molto, confesso che ero un pò intimidita, ma ora mi sembra di avere certamente le idee più chiare……

  • Chiara scrive:

    Complimenti, articolo semplice, comprensibile ed esaustivo. Se avessi letto un articolo così, tanti anni fà, prima di fare l’esame di strumentale avrei capito molte molte più cose e sarei stata meno terrorizzata nell’affrontare il mio prof. !! Siete un ottima risorsa sia per gli studenti, sia per i curiosi non studenti, sia per chi lavora in questo campo e ha ancora voglia di leggere informazioni che stimolano il cervello!! Grazie. Chiara

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