Resonancia magnética

      RESONANCIA MAGNÉTICA

      El protón es una partícula con carga eléctrica positiva con un movimiento de giro o espín. Por el hecho de ser una carga eléctrica en movimiento, da lugar a un campo magnético asociado que origina un dipolo magnético cuyo magnetismo viene dado por su momento magnético, m. Esto hace que el núcleo de ¹H y otros núcleos atómicos se comporten como pequeños imanes, es decir, presenten propiedades magnéticas y posean momento dipolar magnético. Otros núcleos atómicos magnéticamente activos se hallan en los átomos de los isótopos ¹³C, ¹⁹F y ³¹P.

El espín del protón, H⁺, y su momento magnético, m

      En principio, los momentos magnéticos de los protones de los átomos de una sustancia se hallan desordenados aleatoriamente, es decir, orientados al azar.

                                            Dipolos magnéticos nucleares desordenados

      Como los protones nucleares magnéticamente activos se comportan como dipolos magnéticos, al aplicarles un campo magnético externo a las moléculas de que forman parte, los niveles de energía de algunos espines nucleares se desdoblan en varios niveles que corresponden a las diferentes orientaciones de los espines nucleares respecto al campo magnético aplicado. En el caso del protón del átomo de H, su momento magnético dipolar tiene dos posibles orientaciones, una en el mismo sentido que el campo, en estado de baja energía, y otros en sentido opuesto, en estado de alta energía.

 

Las dos posibles orientaciones del momento magnético nuclear del protón de H

      Es decir, al aplicar un campo magnético a los protones del H de una sustancia, los espines nucleares de espín positivo (+1/2) se orientan en el mismo sentido que el campo magnético aplicado, en un estado de mínima energía (estado de espín a), y los de espín negativo (-1/2) en sentido opuesto, en un estado de máxima energía (estado de espín β). En ambas situaciones, los momentos magnéticos de los espines nucleares están alineados con el campo, es decir, en la misma dirección, lo cual no ocurre en ausencia de éste.

Diagrama de energía con los dos posibles

niveles que pueden adoptar los núcleos de H en

presencia de un campo magnético

      Pero esta alineación sólo sucede si se trata de momentos magnéticos estáticos o un circuito de corriente clásico. Sin embargo, en presencia de un campo magnético, B, el protón del átomo de hidrógeno, no se alinea exactamente en la misma dirección que el campo. Como el protón gira alrededor de sí mismo (giro o espín), se crea un par de fuerzas que actúa perpendicular a su momento magnético dipolar, m, lo que origina un movimiento de precesión del vector m alrededor del vector campo magnético externo, en lugar de alinearse en su dirección (la trayectoria del extremo del vector m forma un ángulo con la de giro del protón). Esto sucede a una frecuencia angular característica del protón, llamada frecuencia de Larmor.

 

Precesión de un protón nuclear en presencia de una campo magnético

      La precesión del momento magnético de un protón nuclear en presencia de un campo magnético externo, es similar al movimiento giroscópico de una peonza. Si ésta se hace girar en el campo gravitatorio terrestre, se origina un par de fuerzas, formado por su propio peso, vertical y de sentido  hacia abajo, y por la fuerza de reacción del suelo sobre el pie de la peonza, vertical y de sentido hacia arriba, que le hace variar su momento angular y adquirir un movimiento de precesión con el eje inclinado respecto a la dirección de la gravedad. Si la gravitación estuviese ausente, la precesión no existiría.

      

      La RMN es una técnica espectroscópica de absorción que se basa precisamente en la absorción de energía por núcleos magnéticamente activos (que poseen un número impar de protones) que se hallan orientados en presencia del campo magnético externo de un imán estable (bobina superconductora). En esta situación, si estos protones orientados, pertenecientes, por ejemplo, a un compuesto orgánico, son irradiados por un pulso intenso de radiación de RF, algunos entran en resonancia con la frecuencia angular de los protones (frecuencia de Larmor) y absorben energía (fase de resonancia nuclear) y como respuesta los núcleos pasan de un estado energético de espín a otro de mayor energía. Los de estado de espín a son promovidos al estado de espín β, es decir las orientaciones de sus momentos magnéticos dipolares cambian, pues sus estados energéticos varían.

      Si se suprime la incidencia de energía de RF, muchos núcleos, de los átomos de las moléculas investigadas, pasan de sus espines excitados a sus estados energéticos más bajos (situación energética más estable) y emiten la diferencia de energía en forma de señales de RF de diferentes frecuencias según las características de las muestras analizadas, pues los protones de los diferentes compuestos de la muestra, por ejemplo de los tejidos que constituyen el organismo, se relajan en distintos tiempos según el medio que les rodea (fase de relajación). Las señales son captadas por un detector o antena y analizadas por un ordenador que, junto con la resolución obtenida entre las distintas porciones de sustancia pueden ser transformadas en imágenes de dos o tres dimensiones de partes del organismo (examen médico no invasivo que ayuda al diagnóstico y al tratamiento de enfermedades, problemas musculares y óseos, etc.)

      Las señales también pueden ser recogidas como una gráfica de intensidad frente a frecuencia (espectro de RM). En éstas, se averigua por medio de los picos o señales espectrales cuántos núcleos activos de H están presentes en las moléculas de las sustancias analizadas, qué posiciones tienen, qué tipos de enlace están cercanos con otros átomos, qué grupos funcionales hay, etc., y otras informaciones que permiten averiguar las estructuras moleculares en análisis químico.

Espectro RM del etanol

ETAPAS DE LA RM

Campo magnético externo y ondas de radio                               ↓sobre sustancia que posee Protones de átomos de H                               ↓que absorben energía de RF por                                 Resonancia                  ↓Cesa RF y en fase de                                 Relajación                              se libera  ↓                                                                                                   Exceso de energía                                        ↓ cuyas señales se recogen con                                   Antena                ↓y por medio de un        Sistema informático                                                ↓ se transforman                                        ↓en      o      ↓en                         Imágenes        Espectros