Risonanza magnetica nucleare (NMR)

La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) è una tecnica analitica usata per determinare la struttura molecolare e la composizione chimica di un campione. Si basa sull’analisi del comportamento degli spin dei nuclei in presenza di un forte campo magnetico. Nella spettroscopia NMR, in presenza di un campo magnetico esterno stazionario e di un campo magnetico variabile, nel campione si determina l’assorbimento di ben precise radiofrequenze da parte di alcuni specifici nuclei. L’energia assorbita promuove una transizione di spin dei nuclei, che viene poi riemessa, rilevata e riportata su uno spettro NMR.

Applicazioni della spettroscopia NMR

La spettroscopia NMR è una tecnica non distruttiva e non invasiva usata per determinare strutture e dinamiche molecolari. Le applicazioni della spettrometria NMR sono numerose e comprendono le seguenti aree della ricerca e industriali:

• IT - In biology, NMR is applied to study macromolecules, such as proteins, lipids and nucleic acids. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, and ¹⁹F are the most biologically relevant NMR-active nuclei, used to understand biochemical pathways involved in amino acid, lipid and carbohydrate metabolism.
• in chimica, la tecnica è ampiamente usata in analisi qualitative e quantitative per monitorare reazioni, identificare strutture molecolari e valutare la purezza di un campione
• nel campo dei polimeri, serve ad analizzare i rapporti tra monomeri, il peso molecolare, la tatticità, la sequenza, la lunghezza e le ramificazioni delle catene e a determinare i gruppi terminali
• nell’industria farmaceutica è utilizzata per determinare la purezza e la quantità dei principi attivi, degli eccipienti e delle impurezze nei prodotti farmaceutici
• nell’industria petrolifera è impiegata per caratterizzare gli idrocarburi nel petrolio grezzo e nei suoi prodotti
• in medicina, la risonanza magnetica per immagini (MRI) è un’applicazione dell’NMR utilizzata per l’analisi di tessuti molli nell’intento di identificare lesioni o tessuti malati.

Principi della spettroscopia NMR

Lo spin nucleare è correlato alla composizione del nucleo degli atomi di un elemento. I nuclei che contengono un numero pari di protoni e neutroni hanno spin nucleare 0 e non danno origine a segnali NMR (ad es.:⁴He,¹²C,¹⁶O). I nuclei con un numero dispari di protoni e/o neutroni possiedono uno spin nucleare e sono “visibili” all’NMR (ad es.:¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Questi nuclei si comportano come minuscoli magneti in rotazione e possono interagire con un campo magnetico esterno. I nuclei dotati di spin creano anch’essi un campo magnetico proprio che può interagire con altri nuclei dotati di spin.

Uno strumento NMR misura l’interazione degli stati di spin nucleari sotto l’effetto di un potente campo magnetico. Il campo magnetico induce un moto di precessione (rotazione) dei nuclei, simile a quello di una trottola. Un nucleo in precessione assorbe selettivamente energia da onde a radiofrequenza quando la sua frequenza di precessione coincide con la bassa frequenza esterna delle onde a radiofrequenza che interagiscono con esso. Quando si verifica questo assorbimento, il nucleo in precessione e le onde a radiofrequenza si dicono in “risonanza”, da cui la denominazione risonanza magnetica nucleare. Si può ottenere risonanza sia sintonizzando la frequenza dei nuclei con quella di una radiofrequenza esterna fissa, sia sintonizzando la frequenza delle onde radio con quella dei nuclei.

Nel corso di un esperimento NMR, un campo magnetico variabile esterno applicato eccita nuclei dotati di diversi momenti magnetici causando transizioni tra livelli energetici discreti. Dopo l’assorbimento della radiofrequenza di risonanza, il nucleo allo stato eccitato ritorna a livelli più bassi di energia, cedendo energia all’ambiente circostante. Quando l’energia viene trasferita ad altri atomi o al solvente, il processo di rilassamento si chiama ‘rilassamento spin-reticolo’. Se l’energia viene trasferita a nuclei vicini dotati dello stesso livello di energia, si parla di ‘rilassamento spin-spin’. Questi due processi di rilassamento sono caratterizzati da costanti di tempo, tempo di rilassamento spin-reticolo (T₁) e tempo di rilassamento spin-spin (T₂), responsabili dello spettro NMR risultante.

Caratteristiche di uno spettro NMR

Uno spettro NMR è un grafico che rappresenta l’assorbimento in funzione della radiofrequenza applicata. La posizione nello spettro alla quale il nucleo assorbe si definisce spostamento chimico (chemical shift) ed è influenzata dalla densità elettronica intorno al nucleo. Un nucleo circondato da un’alta densità elettronica è “schermato” dal campo magnetico esterno e i segnali nello spettro NMR si spostano “a campi più alti” (verso la destra dello spettro). Se un nucleo è situato in prossimità di un atomo elettronegativo, la densità elettronica intorno ad esso si ridurrà, con conseguente effetto di ‘deschermatura’. Questo sposta il segnale nello spettro NMR “a campi più bassi” (verso la sinistra dello spettro). Lo spin dei nuclei vicini influisce anch’esso sui segnali osservati in uno spettro NMR e può causare la molteplicità (splitting) del segnale NMR; questo fenomeno è noto come “accoppiamento spin-spin”.