Resonancia magnética nuclear (RMN)

La espectroscopia por resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica analítica utilizada para determinar la estructura molecular y la composición química de una muestra. Actúa analizando la interacción de los núcleos que giran en un fuerte campo magnético. En la espectroscopia mediante RMN, un campo magnético externo estacionario hace que ciertos núcleos de una molécula absorban radiofrecuencias selectivas. La energía absorbida induce una transición en los espines nucleares, que se observa en un espectro de RMN.

Aplicaciones de la espectroscopia mediante RMN

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

• En biología, la RMN se aplica al estudio de las macromoléculas, como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, y ¹⁹F son los núcleos activos biológicamente más relevantes en RMN utilizados para entender las vías bioquímicas que intervienen en el metabolismo de los aminoácidos, los lípidos y los carbohidratos.
• En química, se utiliza mucho para el análisis cualitativo y cuantitativo con el objeto de controlar las reacciones, identificar las estructuras y evaluar la pureza.
• En la ciencia de polímeros, para analizar la proporción de monómeros, el peso molecular, la táctica, la secuenciación, la longitud y la ramificación de las cadenas y para determinar los grupos terminales.
• En la industria farmacéutica, para determinar la pureza y la cantidad de principios activos, excipientes e impurezas en los productos farmacéuticos.
• En la industria del petróleo, para evaluar los hidrocarburos del petróleo crudo y sus productos.
• En medicina, el diagnóstico por imagen mediante resonancia magnética (IRM) es una aplicación de la RMN utilizada para el análisis de tejidos blandos con el fin de identificar tejidos dañados o enfermos.

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Principios de la espectroscopia mediante 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 experimentar RMN (por ejemplo, ⁴He,¹²C,¹⁶O). Los núcleos con números impares de protones o de neutrones muestran espín nuclear y pueden experimentar RMN (por ejemplo, ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Estos núcleos se comportan como diminutos imanes giratorios y pueden interaccionar con un campo magnético externo. Los núcleos que giran también crean su propio campo magnético, que puede interaccionar con otros núcleos que tienen espín.

Un equipo 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 (roten) como una peonza. Un núcleo en precesión absorbe de manera selectiva energía de las ondas de radiofrecuencia cuando la frecuencia de los núcleos en precesión coincide con la frecuencia externa baja de las ondas de radiofrecuencia que interaccionan con ella. Cuando se produce esta absorción, se dice que los núcleos en precesión y las ondas de radiofrecuencia están en ‘resonancia’, de ahí la expresión resonancia magnética nuclear. La resonancia puede producirse ajustando la frecuencia de los núcleos a la frecuencia fija de ondas de radio o ajustando la frecuencia de las ondas de radio a 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. Después de absorber una radiofrecuencia característica, los núcleos en estado excitado vuelven a los estados de menor energía transfiriendo la energía al entorno circundante. Cuando la energía es transferida a otros átomos o al disolvente, el proceso de relajación se denomina ‘relajación espín-red’. Si la energía se transfiere a núcleos circundantes en el mismo nivel de energía, el proceso se denomina ‘relajación espín-espín’. Estos dos procesos de relajación se caracterizan por constantes temporales: 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 una representación de la radiofrecuencia aplicada frente a la absorción. La posición de la gráfica en la que los núcleos absorben se denomina desplazamiento químico. El desplazamiento químico se ve afectado por la densidad electrónica alrededor del núcleo. Si un núcleo está rodeado por una elevada densidad de electrones, 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, elimina la densidad de electrones alrededor del núcleo y provoca un efecto de ‘desprotección’. Esto desplaza la señal ‘hacia abajo’ en el espectro de RMN. El espín de los núcleos circundantes afecta también a las señales observadas en un espectro de resonancia magnética y puede escindir la señal de RMN, lo que se conoce como ‘acoplamiento espín-espín’.