Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

Risonanza Magnetica Nucleare


La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (definita normalmente NMR), si basa sugli stessi principi della tecnica usata in medicina, chiamata soltanto Risonanza Magnetica (MRI). E' stato eliminato il termine nucleare per l'utilizzo in campo medico in quanto poteva creare paure ingiustificate. Nessuno vuole essere sottoposto ad un "bombardamento nucleare"! Non c'è niente da temere, NMR e MRI usano onde radio innocue per acquisire i loro dati, non i raggi gamma che sono effettivamente distruttivi. In effetti le onde radio sono sull'estremità opposta dello spettro elettromagnetico rispetto ai raggi gamma. Guardate.


Spettro elettromagnetico

L'NMR è una tecnica particolare nella quale un campione viene immerso in un campo magnetico e irraggiato con onde radio. L'effetto di queste onde radio è, in un certo senso, lo stimolo dei nuclei della molecola a "suonare una musica" che può essere captata solo da uno speciale radio ricevitore. Proprio come nell'opera, i nuclei cantano in un linguaggio che non riusciamo a comprendere per cui abbiamo bisogno di un decodificatore. Questo decodificatore è un algoritmo detto trasformata di Fourier. Si tratta di una complessa equazione che traduce il linguaggio dei nuclei in qualcosa di comprensibile. Ecco l'algoritmo, nel caso voi siate curiosi.


Queste due equazioni traducono il segnale NMR da una forma all'altra

Le "tonalità" su cui "cantano" i nuclei vengono analizzate per ottenere informazioni circa la molecola, ad esempio la sua stessa struttura, e ciò che la circonda. Questo potrebbe confondere un po le cose adesso ma questa pagina dovrebbe almeno darvi delle informazioni di base su questa tecnica.

Per capire a fondo la spettroscopia NMR, è necessario tornare indietro alla dimensione subatomica e dare un'occhiata al nucleo. Vi concederò qualche secondo per tornare alla dimensione.

Vi siete già ristretti? Bene! Ora se non siete più piccoli della lunghezza d'onda della luce visibile, vedrete che il nucleo sta ruotando. Ma gli scienziati non possono dire semplicemente rotazione; devono cercare un termine più appropriato. Poiché il nucleo con carica positiva ruota, questo movimento crea un momento magnetico. Potete pensare ad una sbarretta magnetica di dimensioni subatomiche che ruota. Quando non vi è campo magnetico questi piccolissimi magneti sono allineati a caso, ma quando sono posti in un campo magnetico omogeneo i momenti magnetici si allineeranno con il campo magnetico. Se ci immaginiamo che il campo magnetico in cui è immersa la molecola sia verticale, i nuclei che la compongono (attenzione, però, vedremo dopo che non sono tutti quelli che costituiscono la molecola ma solo certi che corrispondono ad atomi "attivi" all'NMR) tenderanno ad allinearsi su quest'asse. Anche se i momenti magnetici sono allineati dal campo magnetico, il loro moto rotatorio non avviene su un piano come il moto rotatorio di una giostra. Il movimento termico della molecola crea una situazione che fa sì che tutti i vari magneti corrispondenti ai nuclei "traballino" come la trottola di un bambino che si sta fermando. Quando le onde radio colpiscono i nuclei rotanti questi si coricano sempre di più sul piano orizzontale e a volte si ribaltano. Le onde radio spingono i nuclei un po' come si può fare sui petali di un fiore ancora chiuso per aprirlo. Quando il momento magnetico, o meglio i vari momenti magnetici dei vari nuclei (che continuano a ruotare) si inclinano completamente sul piano orizzontale rispetto al campo magnetico applicato, è possibile analizzarlo grazie ad un'antenna che capta le onde radio che questi generano collocata esattamente in modo perpendicolare (90°) al campo magnetico applicato. Ogni nucleo mostra le sue caratteristiche perchè ruota nel piano in cui c'è questa bobina a velocità differente a seconda della sua posizione nella molecola e all'ambiente che gli atomi vicini gli fanno sentire. Quando ciò accade, si dice che due nuclei risuonano a frequenze differenti. La spiegazione di ciò ci può arrivare, come abbiamo detto all'inizio, dall'esempio della musica: supponiamo che un atomo abbia una sua propensione a cantare sulla tonalità del DO: solo quando io "suonerò" una radiofrequenza in DO lui si accorderà con questa (come dicono i chimici, risuonerà) e si porterà davanti al "microfono" (sul piano orizzontale) per fare sentire la sua voce. Così allo stesso modo, quando la radiofrequenza suonerà in LA, questo nostro nucleo se ne starà zitto e "canterà" quello il LA.

Nuclei diversi risuonano a frequenze diverse. Ciò significa innanzitutto che un atomo di carbonio deve essere colpito da un'onda radio con frequenza diversa da quella necessaria ad un atomo di idrogeno per ribaltarsi di 90°, ma anche che atomi simili in ambienti diversi, come un atomo di idrogeno legato ad un atomo di ossigeno ed un atomo di idrogeno legato ad un atomo di carbonio si ribaltano a frequenze diverse. Vedendo a quale frequenza questi diversi nuclei si ribaltano si può determinare come è strutturata una molecola, e tante altre proprietà interessanti. Capisco che due atomi diversi, come il carbonio e l'idrogeno, risuonano a frequenze diverse perché sono diversi ma perché gli atomi simili in ambienti diversi risuonano a frequenze diverse?

Questa è una domanda molto interessante. La risposta è la schermatura. Cos'è la schermatura, chiederete voi? Ve lo dirò. Gli elettroni che circondano i nuclei rotanti sono anch'essi carichi e rotanti, e se siete stati attenti, sapete che una carica di moto rotatorio crea un campo magnetico. Questo campo magnetico agisce in modo opposto al campo magnetico applicato. In questo modo diminuisce l'intensità del campo magnetico applicato che raggiunge i nuclei. In altre parole gli elettroni "schermano" i nuclei dal campo magnetico complessivo. Poiché la frequenza di risonanza di un nucleo (ovvero la tonalità in cui il nucleo canta) dipende dalla forza del campo magnetico che "sente"..è chiaro??

Okay, adesso so cosa fa uno spettrometro NMR, ma come funziona?

Abbiate pazienza, ci sto arrivando. Quel grande oggetto simile ad una nave spaziale che si vede nella foto è uno spettrometro NMR. La maggior parte delle macchine è solo un grande cella refrigerante piena di due liquidi molto freddi, elio liquido e azoto liquido. Quanto freddi? L'azoto liquido ha una temperatura di -195°C e l'elio liquido ha una temperatura di -269°C! L'elio liquido si trova nella parte centrale della cella refrigerante, e serve a mantenere a questa bassissima temperatura una bobina in cui circola della corrente elettrica. Questa bobina, come l'elettromagnete che vi permette di aprire la porta dell'ingresso del vostro condominio o di accendere la luce attraverso un relè, si occupa, da buon elettromagnete, di creare un campo magnetico. Siccome per i simpatici fenomeni prima descritti serve un forte campo magnetico, per non fare consumare troppa corrente questa bobina ... non ne assorbe!! Infatti è fatta di un materiale che alla spaventosa temperatura dell'elio liquido è un superconduttore, cioè non oppone nesuna resistenza alla corrente, perciò questa continua a girare nella bobina senza richiedere di essere alimentata!! L'azoto liquido circonda la parte immera in elio liquido per far sì che l'elio non evapori troppo in fretta. L'apetura in cima (indicata da Sara nella foto) è il punto in cui viene inserito il campione. Quando entra nella macchina, un getto d'aria fa ruotare il campione per poter ottenere una misura uniforme su tutto il campione.

Quando viene preparato un campione per la spettroscopia NMR, il solvente o parte del solvente usato deve essere deuterato; questa parolona significa che ci sono atomi di deuterio al posto degli atomi di idrogeno della molecola di solvente. L'idrogeno ha un protone nel suo nucleo mentre il deuterio ha un protone ed un neutrone nel suo nucleo. L'idrogeno è un nucleo molto attivo all'NMR, perciò questo è necessario innanzitutto per evitare che il mio strumento veda in modo forte la risposta dei nuclei del solvente. Inoltre, lo strumento usa la risonanza del deuterio per "bloccare" una frequenza di rifermento in modo da poter controllare eventuali fenomeni di variazione del campo magnetico permanente, che deve essere il più possibile costante ed uniforme.

Ora che il nostro campione è in un campo magnetico, chiuso e rotante, possiamo acquisire uno spettro. Dapprima un generatore RF (frequenza radio) "emette impulsi" verso il campione con una breve raffica di onde radio. Queste onde vengono assorbite dal campione, il quale invia al ricevitore i segnali dovuti alla sua interazione con queste onde. Questa tecnica, detta NMR impulsata, praticamente corrisponde, in termini musicali, a suonare in gran trionfo tutte le tonalità in modo da far cantare tutti i nuclei assieme. Il ricevitore rileva il segnale dal campione e questa informazione viene poi trasmessa al computer vicino all'NMR dove viene tradotto ed analizzato: il computer, attraverso la trasformata di Fourier, opera come un esperto critico musicale che riesce, nel ripieno di tutte le voci del coro, a distinguere le voci che cantano su una tonalità rispetto a quelle che cantano in un'altra. Cliccate qui per saperne di più


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