OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques

Gran enciclopèdia catalana

ressonància magnètica nuclear

Sigla deRMN, Nuclear Magnetic Resonance (en), Sigla de Nuclear Magnetic Resonance, forma anglesa deNMR (en)
substantiu femeníf
Medicina    Química
Sigla deRMN, Nuclear Magnetic Resonance (en), Sigla de Nuclear Magnetic Resonance, forma anglesa deNMR (en)
Ressonància magnètica nuclear amb tractament de color d’un crani amb una incisió
© Fototeca.cat
química analítica quím anal i diagnosi diag
Tècnica utilitzada en imatgeria electrònica amb finalitat diagnòstica i en anàlisi química.

Es basa en la transició entre els diversos nivells energètics que s’originen quan hom situa un nucli amb spin nuclear no nul en un camp magnètic uniforme i intens, provocada per l’absorció d’una radiació de freqüència apropiada (radiofreqüència). Hom la designa abreujadament amb la sigla RMN. Històricament, el fenomen de la ressonància magnètica nuclear fou observat per primera vegada cap a l’any 1930 i el seu estudi es desenvolupà ràpidament arran del descobriment, quinze anys més tard, del fet que els voltants moleculars d’un nucli magnètic determinat produeixen variacions en les transicions energètiques respecte al nucli aïllat i que, en determinades condicions, poden originar una estructura fina. El fonament físic del fenomen de la ressonància magnètica nuclear està en el fet que el moment magnètic d’un nucli amb spin nuclear S pot prendre, en un camp magnètic, 2S-1 orientacions. En el cas més simple de nuclis amb spin S = 1/2 (com és ara 1H, 13Cl 15N, 19F u 31P), són possibles dues orientacions, la separació energètica entre les quals és donada per l’expressió ΔE = gΒ/H, essent g el factor de Landé per al nucli considerat, μΒ el magnetó de Bohr i H el camp magnètic aplicat. Per tal que les poblacions relatives dels dos nivells energètics generats pel camp magnètic siguin prou diferents perquè la transició energètica pugui ésser mesurable, cal que la intensitat del camp magnètic exterior sigui elevada (de l’ordre de 104 gauss), fet que, conjuntament amb la necessitat d’operar amb un camp uniforme, constitueix la principal font de complexitat experimental d’aquesta tècnica. La realització de la transició energètica té lloc mitjançant irradiació de la mostra que hom estudia amb radiofreqüències, i la relació entre camp aplicat i freqüència necessària per a produir la transició és donada per l’expressió ν ═ γH/2π, essent γla constant magnetogírica pròpia de cada nucli. En medicina, hom utilitza uns aparells basats en aquesta tècnica amb l’objectiu d’obtenir imatges de síntesi de certes zones del cos humà on hom sospita de la presència de certs tipus de teixits que, com els tumorals i d’altres, són transparents als raigs X, però que, en ésser més rics en aigua —i, per tant, en àtoms d’hidrogen— que els teixits contigus, poden ésser evidenciats amb la RMN. Consisteixen bàsicament en un gran imant circular de material superconductor —que crea un camp magnètic estàtic— dins el qual és introduït horitzontalment el cos de la persona. A l’interior de l’iman, unes bobines de radiofreqüència, responsables de crear un camp electromagnètic variable, són situades a banda i banda de la zona del cos que hom vol analitzar. Modificant la freqüència de la radiació electromagnètica d’una manera convenient, hom pot aconseguir que en un punt o una regió determinats hi hagi prou camp magnètic perquè els nuclis dels àtoms d’hidrogen entrin en ressonància tot absorbint l’energia emesa a aquesta freqüència. En fer cessar de sobte el camp electromagnètic, els nuclis retornen a llur estat primitiu i alliberen l’energia abans absorbida, que serà proporcional, per a aquell punt o regió estudiats, a la densitat d’àtoms d’hidrogen presents. Aquesta energia és captada i mesurada, i la seva magnitud i localització espacial és enregistrada per un ordinador, que processa la informació corresponent a tots els punts de la zona que hom vol estudiar i en genera una imatge de síntesi ( imatgeria electrònica). En anàlisi química, hom utilitza els espectròmetres de RMN, que consten bàsicament d’un imant, entre els pols del qual hom disposa la mostra en solució, d’un generador de radiofreqüències, amb el qual hom irradia la mostra, i d’un sistema receptor-amplificador de radiofreqüències acoblat a un enregistrador. En la pràctica, la realització d’un espectre implica l’observació de tot el domini de freqüències en el qual un nucli determinat pot absorbir, cosa que pot ésser aconseguida fent variar el camp magnètic per superposició d’un altre o bé fent variar la freqüència. Modernament, la introducció dels imants superconductors ha suposat una millora substancial pel que fa a l’estabilitat i l’homogeneïtat del camp i també pel que fa a la construcció d’aparells que treballin a camps magnètics molt intensos. Hom pot obtenir informació de l’espectroscòpia de RMN mitjançant l’estudi del desplaçament químic dels diferents nuclis del mateix tipus presents en una molècula, com també de l'estructura fina de l’espectre. El desplaçament químic o localització de la banda d’absorció d’un nucli o grup de nuclis dins l’espectre pot ésser definit amb referència a un compost patró (com és ara el tetrametilsilà per al cas del 1H) com la diferència, expressada en cicles per segon, entre les dues absorcions. L’origen del desplaçament químic està en el fet que el nucli objecte d’estudi és en interacció amb altres àtoms, sia mitjançant enllaç químic, sia per efectes de conjugació o proximitat. Els electrons d’aquests àtoms, en tenir spin, originen camps magnètics dèbils, de tal manera que el camp magnètic resultant no coincideix amb l’aplicat. Consegüentment, la separació energètica (ΔE), generada pel camp, i la freqüència de la radiació necessària per a produir la transició depenen de la natura química del nucli objecte d’estudi. El conjunt d’efectes dels camps magnètics locals pot aplegar-se en una constant de pantalla (σ), de tal manera que el camp magnètic resultant és donat per H(1-σ). Així, el desplaçament químic en l’anàlisi de l’espectre d’un mateix nucli actiu (1H, 13C, etc) permet d’identificar-ne els diferents tipus presents en una molècula, la qual cosa ja és una font d’informació estructural. D’altra banda, atès que les intensitats dels senyals de l’espectre són proporcionals al nombre de transicions i, per tant, al nombre de nuclis químicament equivalents, la determinació de llurs àrees dóna una valuosa informació estructural complementària a l’anterior, i, en el cas que hom estudiï una mescla, pot servir com a mètode d’anàlisi quantitativa. L'estructura fina d’un espectre deriva de l’acoblament de spins de nuclis, pertanyents o no a la mateixa classe d’àtom, no equivalents magnèticament, dels quals únicament un tipus es troba en situació de ressonància. Aquest acoblament es produeix fonamentalment a través d’enllaços i, en alguns casos, a través de l’espai, bé que perd importància molt ràpidament en funció de la distància entre els nuclis que s’acoblen. El nombre de ratlles en què s’escindeix un senyal per efectes de l’acoblament és anomenat multiplicitat i depèn del nombre de nuclis amb els quals s’acobla el grup que ressona. En la situació que hom anomena aproximació de primer ordre, cada nucli amb S = 1/2 acoblat amb nuclis veïns origina un senyal multiplet de n E1 línies. D’altra banda, la separació entre les ratlles és anomenada constant d’acoblament (J), essent el seu valor una mesura de l’escissió energètica produïda per l’acoblament. L’anàlisi de l’estructura fina d’un espectre és igualment una font de gran valor en la determinació estructural. En el transcurs dels anys, la ressonància magnètica nuclear ha esdevingut una de les eines d’anàlisi instrumental fonamentals en química. A més de l’aplicació abans esmentada d’anàlisi quantitativa de mescles, clàssicament i pel que fa al 1H, el qual ha estat el domini més estudiat, ha trobat aplicació en l’elucidació estructural de composts orgànics, mitjançant l’ús, en molts casos, de tècniques relacionades, tals com la doble ressonància, que consisteix essencialment en la irradiació simultània de dos grups de nuclis que en condicions normals es troben acoblats, originant un sistema desacoblat, la qual cosa permet d’assignar inequívocament els senyals a determinats nuclis de la molècula. D’altra banda, la RMN ha servit també per a l’estudi de processos dinàmics tals com les cinètiques de reacció, equilibris tautomèrics, etc, fent ús en molts casos de la possibilitat d’enregistrar espectres a distintes temperatures. En aquest camp, i gràcies al seu valor analític quantitatiu, ha permès l’obtenció de dades termodinàmiques relatives a un gran nombre de processos. Igualment, problemes estereoquímics, i en particular d’anàlisi conformacional, han pogut ésser estudiats per RMN. En el camp de la diagnosi mèdica per imatges, la ressonància magnètica nuclear s’ha convertit en un estudi de primer ordre en la diagnosi de la patologia del sistema nerviós (és considerat ja un procediment de primera elecció per a l’estudi de la patologia de la medul·la espinal i de la columna vertebral, i també per a la localització, delimitació i diferenciació dels tumors intracranials) i del sistema músculo-esquelètic (múscul, cartílag, lligament, tendó), i cada cop té més aplicacions en altres regions corporals (tòrax, cor i grans vasos, abdomen). La tècnica permet d’obtenir dades precises dels teixits tous i aconseguir imatges tomogràfiques fàcilment interpretables en qualsevol pla de l’espai, la qual cosa li confereix avantatges sobre altres tècniques amb objectius semblants, com la tomografia axial computada; a més, cal remarcar que, en no utilitzar radiacions ionitzants, no té cap tipus d’efecte iatrogènic, i hom el considera un procediment absolutament innocu. En un altre sentit, atès que amb la ressonància magnètica nuclear hom pot diferenciar els nuclis dels àtoms d’hidrogen continguts en els líquids orgànics en moviment d’aquells que es troben estacionaris, el mètode possibilita l’estudi dels líquids orgànics, com ara el líquid cefalorraquidi o la sang, sense necessitat d’utilitzar substàncies de contrast (angiografia per RMN o àngio-RMN). L’aplicació més difosa d’aquesta tècnica consisteix en l’estudi del polígon de Willis en la patologia dels vasos sanguinis encefàlics (aneurismes intracranials), i també en l’estudi de la circulació del LCR per l’aqüeducte de Silvi a les hidrocefàlies, per bé que cal remarcar que en aquest camp la ressonància magnètica nuclear es troba al seu començament, i hom en preveu altres múltiples aplicacions. D’altra banda, l'espectrometria per ressonància magnètica nuclear aplicada als estudis humans, encara en fase de perfeccionament, permet dilucidar de manera directa diversos processos metabòlics in vivo (com els que intervenen en la contracció muscular o en l’activitat del teixit cerebral, per exemple), sense provocar-hi interferències i sense necessitat d’utilitzar tècniques agressives. Un dels problemes amb què s’ha trobat la RMN des de la seva introducció ha estat el de la sensibilitat, que ha fet necessari l’ús de mostres relativament concentrades i ha impedit l’estudi de nuclis magnètics poc abundants, com és ara el cas del 13C. Inicialment, aquest problema s’afrontà mitjançant l’ús de tècniques d’acumulació basades en la mitjana d’enregistraments successius. Però la solució definitiva fou la introducció de tècniques basades en la transformada de Fourier, la qual cosa ha permès el desenvolupament de la RMN de 13C, que constitueix el complement de la de protó. Finalment, cal esmentar algunes altres aplicacions de la RMN, tals com les derivades de l’estudi de l'efecte Overhauser, la ressonància magnètica quadrupolar (la qual es presenta en nuclis amb S < 1), l’estudi de mapes protònics de sòlids, etc.

Col·laboració: 
MPB / AMeP

Llegir més...