Teorico 19 Resonancia Magnética Nuclear I

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Resonancia Magnética Nuclear
I
Fundamentos
Guillermo J. Copello
 
Espectro Electromagnético
RMN 50-900 MHz
Espectro electromagnético
< 200·10-27 J< 30 kHz> 10 kmMuy Baja Frecuencia Radio
> 200·10-27 J> 30 kHz< 10 kmOnda Larga Radio
> 43,1·10-27 J> 650 kHz< 650 mOnda Media Radio
> 1,13·10-27 J> 1,7 MHz< 180 mOnda Corta Radio
> 200·10-24 J> 30 MHz< 10 mMuy Alta Frecuencia Radio
> 20·10-24 J> 300 MHz< 1 mUltra Alta Frecuencia Radio
> 2·10-24 J> 1 GHz< 30 cmMicroondas
> 200·10-24 J> 300 GHz< 1 mmInfrarrojo Lejano
> 4·10-21 J> 6,00 THz< 50 µmInfrarrojo Medio
> 79·10-21 J> 120 THz< 2,5 µmInfrarrojo Cercano
> 255·10-21 J> 384 THz< 780 nmLuz Visible
> 523·10-21 J> 789 THz< 380 nmUltravioleta Cercano
> 993·10-21 J> 1,5 PHz< 200 nmUltravioleta Extremo
> 20·10-18 J> 30,0 PHz< 10 nmRayos X
> 20·10-15 J> 30,0 EHz< 10 pmRayos gamma
EnergíaFrecuenciaLongitud de onda
UV-Vis
(AA, EA, etc)
NIR
RX
IR/Raman
ESR
RMN
Transiciones de 
spin nuclear
 
RMN
Transiciones nucleares
● Transiciones electrónicas de orbitales
»niveles energéticos de capas internas: RX
»niveles energéticos de valencia: UV-Vis
● Transiciones vibracionales (vibración, rotación)
»frecuencias de vibración y rotación: IR, Raman
● Transiciones de spin (electrónicas o nucleares):
 »niveles energéticos magnéticos 
»»electrónicos: EPR
»»nucleares: RMN
E
 
RMN
Transiciones nucleares
● ¿Se puede irradiar una molécula con radiación 
electromagnética, producir una transición nuclear por 
absorción y detectar radiación transmitida?
Δ E=h. ν=h. c / λ
 
RMN
Distribución de poblaciones
α
α
α
ββ
Campo magnético terrestre 
(0,00005 T)
Campo magnético aplicado
 (2-20 T)
G Bo
> 20·10-24 J> 300 MHz< 1 mUltra Alta Frecuencia Radio
> 4·10-21 J> 6,00 THz< 50 µmInfrarrojo Medio
> 523·10-21 J> 789 THz< 380 nmUltravioleta Cercano
EnergíaFrecuenciaLongitud de onda
 
Distribución de Boltzmann
N β
N α
=e
− ΔE
K .T
Ecuación de 
Equilibrio 
Térmico
(Equilibrio de 
Boltzmann)
ΔE=h . ν0 =γn .h .
B0
2π
N
α
: Nro de núcleos en α
N
β
: Nro de núcleos en β
γ: Cte giromagnética
B
0
: Campo aplicado
K: Cte de Boltzmann
T: Temp absolut (K)
 
RMN
Instrumental
Entrada de muestra
Cámara de vacío
N
2
 Líquido (-196 °C – 77 K)
He Líquido (-269 °C – 4 K)
Solenoide 
super-
conductor
Canal de aire
Muestra
Bobina de detección
Sonda de radiofrecuencia
»B
0
: 2-20 Tesla
»Nb
3
Sn o NbTi
 
RMN
Instrumental
 
RMN
Instrumental
 
RMN
Fundamentos
● Núcleos
● Interacción de su componente magnética con la radiación
● Transiciones de baja energía: radiofrecuencias
● Alto Campo magnético: aumento de diferencia de poblaciones
● ¿Se puede irradiar una molécula con radiación 
electromagnética, producir una transición nuclear por absorción 
y detectar radiación transmitida?
 
RMN
Experimento
B0
z
x
y
Mz
B
1
rf h.ν
Bobina de Excitación
»Corriente alterna
»alternancia de fase por ej. 300 MHz
»Campo eléctrico y magnético alterno
»Tiempo: 1-10 μs
 
RMN
Experimento
B0
z
x
y
Mz
Mxy
B
1
rf h.ν
Pulso de 90º
h.ν
Detección de 
Señal - 
Relajación
Bobina de 
detección
 
Detección
● Detección de Intensidad en función del Tiempo: Especificidad
● Gráfico: Intensidad en función de frecuencias
 
RMN
Fundamentos
ω0 =γn .B0
ν 0 =γn
B0
2π
Frecuencia de 
Larmor
h . ν0 =γ n . h .
B0
2π
Frecuencia de 
precesión 
angular
Ecuación de 
Resonancia Eradiación=h .νradiación =ΔE=γ n .h.
B0
2π
Condición de 
Resonancia
Información
 
RMN
Fundamentos
P=I
h
2π
μ=γn . P
μ=γn . I .
h
2π
μz
I = Nº cuántico de Spin
h = Cte de Plank
γn = Cte Giromagnética de n
m = N° cuántico magnético
P = momento angular
µ = momento magnético
P z =m
h
2π
μz =γn .m
h
2π
E=−μz . B0
E=−γn . m .
h
2π
B0
ΔE=γ n
h
2π
B0
ν 0 =γn
B0
2π
Orientados y 
cuantizados en z
Con orientación por 
Campo
Sin orientación por 
Campo
m
α
m
β
B0
μzOrbita de 
precesión
Núcleo girando
Campo aplicado
B0
Orientación (cuantización direccional)
m
α
 = +½ 
I = ½ 
m
β
 = -½ 
 
I tiene (2I+1) estados discretos m
I = 1
2H
I = ½
1H, 13C
m = -½ 
m = +½ 
m = -1
m = 0 
m = +1 
E+½ 
E-½ 
E-1
E0
E+1
EE=−μz . B0
E=−γn . m .
h
2π
B0
ΔE=γ n
h
2π
B0
RMN
Fundamentos
 
RMN
Experimento y detección
B0
z
x
y
Mz
Mxy
B
1
rf h.ν
Pulso de 90º
h.ν
Detección de 
Señal - 
Relajación
Bobina de 
detección
m
α
 = +½ m
β
 = -½ 
 
μz B1 (pulso 90°) μxy relajación μz
E=−μz . B0
E=−γn .m .
h
2π
B0
ΔE=γ n
h
2π
B0
ν 0 =γn
B0
2π
Δ EEst disc =h .ν precesión=E irradiación=h . ν irradiación=Δ Erelajación=h . νrelajación
 
RMN
Fundamentos
● Núcleos
● Interacción de su componente magnética con la radiación
● Transiciones de baja energía: radiofrecuencias
● Alto Campo magnético: 
»aumento de diferencia de poblaciones
»cuantización direccional
● Reorientación: B1 (bobina corriente de alternancia en MHz)
● Relajación/detección
● Información de frecuencias
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