Princípios de Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (2)

RMN de próton – princípio de funcionamento

A diferença energética

A ressonância magnética nuclear lida com diferenças energéticas mediante aplicação de um campo magnético. Uma vez aplicado e, considerando que o núcleo de estudo tem I ≠ 0, observa-se a separação de níveis energéticos cuja diferença deve ser alimentada de modo que se obtenha uma possível transição instantânea entre níveis.

Não nos aprofundaremos quanto à matemática que governa este sistema. No entanto, considerando um sistema ideal, tem-se que tal diferença energética pode ser dada pelo produto do campo magnético, razão giromagnética e Constante de Planck. Apenas um parâmetro nesta equação é variável: o campo magnético. Isto sugere que a diferença de energia pode ser modulada como uma função da intensidade do campo magnético.

Adicionalmente, a equação indica que a diferença de energia é dependente da razão giromagnética, uma constante dependente do núcleo de trabalho. Portanto, cada núcleo apresentará um comportamento diferente. A diferença é inclusive válida para isótopos que certamente apresentarão valores diferentes (ou não terão atividade alguma para RMN, como é o caso do ¹²C que é inativo e do ¹³C, que é ativo).

Quanto maior a diferença energética, mais significativa será a diferença entre “populações” de núcleos em estados energéticos diferentes e, portanto, melhor a qualidade das informações obtidas por um equipamento.

O Pulso

De maneira simplificada, entende-se que em um estado de equilíbrio, tem-se um vetor de campo magnético M. Após um pulso de radiofrequência, há uma alteração deste equilíbrio do modo que um novo vetor (M1) é formado. O retorno instantâneo pode ser observado na forma de “relaxação” de volta ao estado de origem.

Arbitrariamente, define-se que M se encontra exatamente no eixo Z em um plano de coordenadas em três dimensões. A alteração do vetor M1 ocorre em função de uma angulação em relação ao vetor M. Este ângulo geralmente é de 90º, no entanto pode ter valores diferentes como 45 ou 180º. É possível compreender que a trajetória de relaxação terá, portanto, não apenas um componente único em Z como outro componente em função do plano XY. Sendo assim, a relaxação é mensurada em dois fatores: o tempo de relaxação T1, medido em função do eixo Z e o tempo de relaxação T2 que ocorre no plano XY.

Ao retornar ao seu estado de equilíbrio, cada núcleo gera um sinal de decaimento, que por sua vez leva ao valor de frequência absorvida por um núcleo, compondo um espectro de RMN. Para esta tarefa, utiliza-se um procedimento matemático chamado transformada de Fourier, que transforma os sinais de decaimento em espectros.

Equipamentos

Os equipamentos de RMN convencionais podem ser grandes o suficiente para ocupar uma sala e consistem em um sítio de inserção de amostra, um magneto, câmaras de alimentação de nitrogênio e hélio líquido, uma sonda de pulso de radiofrequência e por fim o sistema composto por espectrômetro e computador.

A alimentação de nitrogênio e hélio líquidos é extremamente importante uma vez que sua função é regular a temperatura do magneto. O superaquecimento de um magneto pode levar à desmagnetização, empenamento e outros danos que podem ser irreversíveis.

Os equipamentos também são equipados para a realização de “locks” e “shimmings”. O lock é basicamente um procedimento onde utiliza-se um sinal em específico como referência interna de modo que o produto da sobreposição de espectros seja o mais otimizado o possível. O shimming é um ajuste de bobinas do equipamento, realizado para fins de otimização de performance do equipamento.

Equipamentos de bancada

Atualmente, empresas como a Nanalysis são capazes de fabricar equipamentos de bancada. As principais vantagens deste tipo de equipamento são a redução de espaço e custo, bem como a eliminação da necessidade de resfriamento do magneto com nitrogênio e hélio líquidos. Como contrapartida, até o momento as linhas de equipamentos trabalham em frequências menores do que os equipamentos convencionais.

Por hora, o máximo que se atinge é de 100 MHz, o que já é o suficiente para o desenvolvimento de espectros para elucidações estruturais primárias ou realização de análises simples para controle de qualidade de produtos como fármacos.