Resonando

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica que se basa en el comportamiento de determinados núcleos atómicos en presencia de un campo magnético externo (imán). El análisis de muestras por esta técnica requiere que los núcleos sometidos a estudio sean magnéticamente activos; es decir que se vean afectados por un campo magnético. Estos núcleos presentan una propiedad cuántica (el espin) que en presencia del campo externo se ordena a lo largo de un determinado eje (z). La aplicación de un pulso de radiofrecuencia (RF) origina la excitación de estos espines a un nivel de mayor energía (estado excitado), sin embargo estos espines no se mantienen mucho tiempo en dicho estado y tienden a volver al estado basal (nivel de menor energía). Este proceso se conoce como relajación del núcleo y emite una energía que es la que se capta para crear los espectros de resonancia.

El resultado de estos análisis son los espectros de RMN en los que aparecen  una serie de señales situadas a una determinada posición (desplazamiento químico). La posición que ocupe cada señal va a ser dependiente del entorno químico del núcleo a analizar (de lo que se rodea). Por ello, el espectro que se obtiene es característico para cada muestra.

Figura 1: Espectro de ¹³C-RMN de la metil etil acetona.

Un espectro de RMN proporciona información a nivel cuali- y/o cuantitativo.

Con esta técnica se pueden analizar compuestos en estado líquido y en estado sólido. Sin embargo; nos vamos a centrar en la RMN de sólidos que presenta algunas diferencias con la de líquidos. La principal diferencia es que los sólidos presentan poca movilidad mientras que los líquidos tienen una alta movilidad de rotación y traslación. De tal forma que la rápida reorientación de las moléculas en presencia del campo magnético permite promediar una serie de interacciones que en el caso de los sólidos no tiene lugar. Por ello, se obtienen espectros de sólidos con señales anchas.

Figura 2: Comparativa de espectros de RMN de alanina en disolución y en sólidos.

Este inconveniente hizo que el análisis de RMN de sólidos no fuera muy popular entre los investigadores, ya que la obtención de espectros con baja resolución no les aportaba la información que necesitaban. Sin embargo, la persistencia de aquellos que pensaban que la RMN de sólidos era una buena herramienta, provocó que la búsqueda de soluciones para obtener espectros de buena calidad continuara. De tal forma que se descubrió que la rotación de las muestras en el ángulo mágico era la escucha a sus plegarias. Este ángulo tiene un valor de 54.7ᵒ con respecto al campo magnético (Figura 3A) y se comprobó que rotando las muestras en dicho ángulo se consigue un aumento de la resolución, siendo este mayor conforme la velocidad de rotación aumenta (Figura 3B). Este hecho se debe a que la rotación de las muestras en ese ángulo permite la eliminación y/o reducción de las interacciones que influyen en el ensanchamiento de las señales.

Figura 3: A) Ángulo mágico. B) Espectros obtenidos bajo la rotación del ángulo mágico.

Un ejemplo de muestras sólidas que se pueden analizar son los cementos. En el estudio de estos es de interés analizar el 27Al, debido a que según las señales que aparezcan en el espectro y la posición que ocupen se puede conocer qué tipo de aluminio tiene la muestra analizada (tetraédrico, octaédrico). También es común analizar el 29Si, ya que de manera análoga a lo que ocurre con el 27Al, podemos saber que entorno de coordinación tiene el 29Si presente en la muestra (Q1, Q2, Q3, Q4).

Figura 4: Análisis de un cemento: A) Espectro de ²⁷Al-RMN. B) Espectro de ²⁹Si-RMN.

Sin embargo, las muestras sólidas no son las únicas que se pueden analizar mediante esta técnica. También se pueden estudiar las muestras denominadas “semi-sólidas”, que se caracterizan por no ser solubles en un disolvente deuterado (disolvente necesario para medir muestras en RMN en disolución); por tanto, no se pueden analizar por RMN de líquidos. Tampoco son muestras sólidas tal y como las conocemos, es decir; no son sólidos pulverulentos ni se pueden obtener dichos sólidos molturando; de manera que tampoco se pueden medir por RMN de sólidos. Estas muestras se caracterizan porque en presencia de un disolvente deuterado (agua normalmente) se hidratan convirtiéndose en un gel (textura similar a una gelatina). Algunos ejemplos de este tipo de muestras son tejidos animales, tejidos vegetales, etc.

Para medir este tipo de muestras se recurre a la técnica de High Resolution Magic Angle Spinning (HR-MAS). Esta consiste en analizar las muestras en un estado semigel, lo que permite analizar nanopartículas funcionalizadas, polímeros, tejidos animales, tejidos vegetales, etc (Figura 5).

Figura 5: Espectro de ¹H-HRMAS de un polímero

La técnica HR-MAS nos proporciona un espectro de RMN que presenta una resolución mayor al de una muestra analizada por sólidos y similar al de un análisis en líquidos (Figura 6). Por tanto, se puede decir que esta técnica presenta como ventaja un aumento de la resolución en los espectros.

Figura 6: Espectros de RMN de un tejido lipoma humano: Espectro de ¹H-MAS (arriba) y espectro de ¹H-HRMAS (abajo)

Finalmente, se va a comentar el análisis de RMN de imagen (MRI) que es bien conocido debido a su amplio uso en los hospitales en el diagnóstico de enfermedades. Sin embargo, aquí nos vamos a central en el estudio de muestras de carácter material y/o biológico. El estudio de sustancias poliméricas proporciona información sobre el tamaño de poro y/o el nivel de distribución (Figura 7).

Figura 7: Imágenes de RMN de un polímero para el estudio del tamaño y distribución del poro

El análisis de muestras biológicas nos permite estudiar determinadas enfermedades y comportamientos frente a fármacos en animales pequeños (tipo roedores).  La MRI en el estudio de animales tiene la posibilidad de adquirir imágenes in vivo y de realizar una reconstrucción 3D de dichas imágenes. Existen técnicas de análisis complementarias que permiten obtener imágenes de mayor resolución, sin embargo, trabajar con animales vivos tiene como inconveniente que estos se mueven y la MRI es una técnica muy sensible al movimiento, de tal manera que los artefactos de movimientos pueden reducir la resolución de la imagen.

    A continuación, se muestran unas imágenes obtenidas por RMN de un cerebro de ratón desde distintos puntos de vista. En dichas imágenes se puede apreciar la presencia de quistes (indicados con una flecha blanca en las imágenes B y D) en el cerebro del ratón.

Figura 8: Imágenes de RMN de un cerebro de ratón

Ana Lucena Serrano

Unidad de Resonancia Magnética Nuclear de Sólidos