Resonancia magnética nuclear de sólidos aplicada a la caracterización de arcillas (página 2)

Figura 2.g. Los electrones en un campo magnético precesan en la dirección del campo magnético y crean un campo magnético de dirección opuesta que apantalla el núcleo. El campo magnético Beff que siente el núcleo se ha reducido [3].

La dependencia del desplazamiento químico o anisotropía con la orientación respecto al campo B0 puede ser muy significativa. La CSA resulta del hecho de que los átomos en las moléculas raramente poseen una distribución de electrones con simetría esférica; en su lugar, la densidad electrónica tiene más bien forma de elipsoide. El grado en el que la densidad de electrones afecta la frecuencia de resonancia de un núcleo depende de la orientación de la nube de electrones (y por lo tanto de la molécula) con respecto a B0. De esta manera, el apantallamiento asociado con un núcleo ya no puede ser descrito por un número, sino que se precisa un tensor de segundo rango representado por una matriz 3×3. Es posible definir s con respecto a un sistema de ejes, denominado el sistema principal de ejes, elegido de manera que el tensor s sea diagonal.

Donde z es el eje z del sistema de ejes del laboratorio. Hay que destacar que sólo es necesaria la componente zz del tensor de apantallamiento. La interacción de apantallamiento no genera campos oscilatorios perpendiculares a B0, que podrían afectar el sistema de espines.

Por lo tanto esta interacción es heterogénea; es independiente del tiempo. La cuestión es generar el tensor de apantallamiento en el sistema de ejes de laboratorio a partir del sistema de ejes principales. Para ello hay que reescribir szzlab en función de los valores principales del tensor apantallamiento y la orientación del sistema de ejes principales con respecto a los del laboratorio.

En una muestra en polvo, están presentes todas las orientaciones moleculares.

Cada orientación molecular diferente implica una orientación diferente de los ejes principales con respecto a B0, y por lo tanto según la ecuación (17) diferentes desplazamientos. Las líneas producidas por las diferentes orientaciones solapan y forman una línea continua produciendo un espectro cubriendo un rango de frecuencias ancho, característico de muestras en polvo (Figura 2.h, parte A). La intensidad resultante a cualquier frecuencia dada en el diagrama en polvo es proporcional al número de orientaciones moleculares que dan ese desplazamiento químico. Esto significa que la forma de línea de muestras en polvo es muy distinta, dependiendo de la simetría del tensor de apantallamiento, que además depende de la simetría del sitio donde se encuentra el núcleo.

Figura 2.h. Efecto de la anisotropía del desplazamiento químico en la forma de los espectros de RMN de muestras en polvo: A) en estático, y B) girando al ángulo mágico a distintas velocidades [1].

Las discontinuidades en la señal dan los valores principales del tensor apantallamiento, que por lo tanto, se pueden leer directamente del espectro.

En los sólidos no es posible mecánicamente simular una orientación al azar, ya que implicaría el movimiento en torno a diferentes ejes a velocidades altas. Sin embargo, también es posible eliminar el término anisótropo del Hamiltoniano del desplazamiento químico girando la muestra alrededor de un eje elegido convenientemente [1].

• Escala de las abscisas en los espectros de RMN.

La determinación de la intensidad absoluta del campo magnético con la exactitud necesaria para las medidas de RMN de alta resolución es difícil o imposible. Por otra parte, es factible determinar la magnitud de un cambio en la intensidad del campo con una exactitud de la décima de miligauss o incluso mejor. Por tanto, es conveniente establecer la posición de los picos de absorción de resonancia con relación al pico de resonancia de una sustancia patrón interno que pueda ser medida durante el experimento. El uso de un patrón interno tiene también la ventaja de que los desplazamientos químicos se puede establecer independientemente de la frecuencia del oscilador.

El patrón interno que se utiliza depende del núcleo que se estudia y del disolvente empleado. El compuesto más utilizado en el estudio del protón (1H) es el tetrametilsilano (TMS), (CH3)4Si, que define el cero en la escala de partes por millón (ppm).

En este compuesto todos los protones son idénticos, y la constante de apantallamiento para el TMS es más grande que para la mayoría de los protones. Así, este compuesto proporciona un solo pico agudo a un campo aplicado intenso, bien separado de la mayoría de los picos de interés del espectro [9].

El TMS es ampliamente usado también como patrón para estudios de 13C y 29Si, dado que la constante de apantallamiento del TMS es bastante grande y los picos de interés aparecen bien separados de este.

Sin embargo la aplicación de RMN para el estudio de otro tipo de compuestos de carácter inorgánico en estado sólido, requiere de la utilización de otra serie de compuestos de referencia, ya sea como patrón interno o externo.

A continuación se muestra una tabla 2.3 con algunos compuestos usados como referencia, para diferentes núcleos medidos por RMN, (algunos de ellos son solo usados en RMN de líquidos)

Tabla 2.3. Sustancias de referencia en RMN de solidos inorgánicos.

Fuente: MAN, Pascal P. Solid-state NMR on quadrupolar nuclei applied to heterogeneous catalysts. Instituto de materiales de Paris. http://www.pascal-man.com/index.html. Copyright 2002-2010 pascal-man.com

Interacciones cuadrupolares

El término cuadrupolar aparece por la interacción del espín nuclear con el gradiente de campo eléctrico no esférico de la red en la posición en la que se encuentra el núcleo. Una única señal debido a un único tipo de átomo en un sitio cristalográfico concreto puede dar lugar a varias bandas en el espectro RMN [4].

La mayoría de los núcleos activos en el sistema periódico poseen un espín nuclear semientero I>1/2, es decir I = 3/2, 5/2, 7/2 y 9/2, que como los núcleos con espín I =1/2, interaccionan con el campo magnético externo y con los campos locales generados por el apantallamiento químico y el momento magnético de otros núcleos. Pero, además, los núcleos con I>1/2 se caracterizan porque poseen una forma no esférica asociada con un momento cuadrupolar nuclear, que interacciona con los gradientes de campo eléctricos (EFG del inglés "electric field gradient") originados por distribución asimétrica de las cargas que los rodean.

La figura 2.i muestra la distribución de niveles de energía para un espín nuclear I=3/2. Para los núcleos cuadrupolares, los valores permitidos del número de espín nuclear mI ya no son únicamente +1/2 y +1/2; en general tendrán (2I+1) estados de espín, correspondientes a los números cuánticos mI= +I….-I, y por la regla de transición ?mI = ±1, 2I transiciones. Cuando el núcleo se encuentra en un entorno de coordinación muy simétrico (centro simétrico), no existe acoplamiento cuadrupolar, los niveles de energía están equidistantes y observaríamos una única transición.

Figura 2.i. Efecto de los acoplamientos cuadrupolares de primer y segundo orden para un espín nuclear I=3/2 [1].

En la mayoría de los casos, los acoplamientos cuadrupolares se pueden tratar como perturbaciones menores de la interacción Zeeman. Debido a la magnitud del acoplamiento cuadrupolar, no son suficientes las perturbaciones de primer orden, y hay que incorporar interacciones cuadrupolares de segundo orden (ver figura 2.i).

Las correcciones cuadrupolares de primer orden a los niveles de Energía Zeeman vienen dadas por la siguiente expresión:

Las interacciones cuadrupolares de primer orden se promedian girando la muestra al ángulo mágico, y las resonancias anchas de las transiciones satélites provocan la aparición de bandas de rotación.

Capítulo 3

Métodos de RMN

ESPECTROSCOPÍA RMN CON ONDA CONTINUA (CW)

Desde sus comienzos hasta finales de los 60, la espectroscopía de RMN utilizó una técnica conocida como espectroscopía de onda continua (CW). La manera de registrar un espectro de RMN en el modo de CW era, bien mantener constante el campo magnético e ir haciendo un barrido de frecuencias con un campo oscilante, o bien, lo que era usado más a menudo, se mantenía constante la frecuencia del campo oscilante, y se iba variando la intensidad del campo magnético para encontrar las transiciones (picos del espectro). En la RMN de CW las señales del espectro se registran como señales en resonancia.

La espectroscopía CW está limitada por su baja sensibilidad, ya que cada señal se registra una sola vez por cada barrido y la técnica de resonancia magnética nuclear ya es de por sí poco sensible; esto quiere decir que la técnica sufre de una baja relación señal-ruido. Afortunadamente, en RMN es posible mejorar la relación señal-ruido mediante el promediado de señal. El promediado de señal consiste en repetir la adquisición del experimento e ir sumando los espectros que se obtienen. De esta manera, las zonas del espectro en que existen señales se suman de manera constructiva, mientras que, por su parte, las zonas en que hay ruido, por su carácter aleatorio, se acumula más lentamente que la señal. Mediante el promediado de señal se incrementa la relación señal-ruido en un valor que es la raíz cuadrada del número de espectros que se han acumulado. Esta relación se cumple con espectros de RMN en los que intervienen un sólo tipo de núcleos, por ejemplo, sólo 1H, 13C, etc., también llamados espectros homonucleares [8].

TRANSFORMADA DE FOURIER (FT)

Es una operación matemática que también realiza digitalmente el ordenador, proporciona un espectro con el mismo formato y la misma información que si se hubiera obtenido por onda continua, pero en mucho menos tiempo. Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y convierte dichos datos en intensidad respecto a frecuencia, esto es lo que se conoce con el nombre de transformada de Fourier (FT-RMN). Un espectro FT-RMN puede registrarse en 2 segundos utilizando menos de 5 mg de muestra [2].

La aplicación de un pulso policromático en una región estrecha de la banda de radiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en esa región.

Un pulso policromático con una anchura en frecuencia de unos pocos kHz puede llegar a excitar simúltaneamente sólo a los espines nucleares de un mismo tipo de núcleo atómico dentro de una molécula, por ejemplo, todos los núcleos de hidrógeno (1H). Antes del pulso el vector de polarización neta de cada uno de los espines nucleares se encuentra en situación de equilibrio alineado en la dirección del campo magnético. Durante el tiempo que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo magnético en una dirección perpendicular al campo principal del imán y el vector polarización realiza un determinado movimiento de precesión. Tras cesar el pulso, el vector polarización de todos los espines afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del campo magnético principal. En este momento, los espines, comportándose como pequeños imanes polarizados, comienzan a precesionar con su frecuencia característica en torno al campo magnético externo, induciendo una pequeña corriente oscilante de RF en una bobina receptora situada en las inmediaciones de la muestra. A medida que los núcleos van regresando poco a poco a la situación inicial de equilibrio alineados con en el campo magnético principal, la señal detectada va disminuyendo de intensidad hasta hacerse cero. Esta caída de la señal se conoce como caída libre de la inducción (Free Induction Decay, FID) y da lugar al espectro de RMN.

La FID es una onda que contiene todas las señales del espectro en una forma que es dependiente del tiempo. Esta onda puede convertirse en un espectro de señales en función de su frecuencia. Para ello se utiliza una función matemática conocida como Transformada de Fourier. El resultado es lo que se conoce como un espectro de RMN (espectro de frecuencias) [8].

Figura 3.a. La señal que se detecta FID (Free Induction Decay) es una señal oscilante que contiene todas las señales del espectro y decae hasta hacerse cero [8].

Así, durante los diez minutos habitualmente necesarios para el registro de un único espectro por onda continua, el método de pulsos puede sumar un total de 600 FIDs, pero además, la señal de cada una de estas FIDs es mucho más intensa que la de un espectro convencional de onda continua para la misma concentración de muestra.

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE GIRO AL ÁNGULO MÁGICO (RMN-MAS).

El giro al ángulo mágico, o MAS, se utiliza rutinariamente en la mayoría de los experimentos de RMN de estado sólido. El objetivo fundamental es eliminar la anisotropía del desplazamiento químico, y ayudar en la anulación de las interacciones dipolares heteronucleares. Además, también se utiliza para estrechar las líneas de núcleos cuadrupolares y disminuir los efectos del acoplamiento dipolar homonuclear.

Como hemos visto en las secciones anteriores, cuando el vector internuclear forma un ángulo ?=54.74º, el ángulo mágico, con el campo estático, el término (3cos2?-1)=0 y las interacciones dipolares heteronucleares se anulan. Asimismo, también se anulan la anisotropía de desplazamiento químico cuando el eje principal z de la molécula forma el ángulo mágico con el campo estático B0 [1].

Figura 3.b. Rotación de la muestra inclinada en un ángulo ? respecto a la dirección del campo [4].

Rotando una muestra policristalina rápidamente se hace que el eje principal del elipsoide que representa la CSA se alinee con el eje de rotación; el efecto es eliminar la anisotropía. Así pues, si la velocidad de rotación es suficientemente rápida comparada con la anisotropía de la interacción, ésta se promedia a cero. Cuando una muestra gira, la orientación de los cristales varía, y por lo tanto los valores del CSA de todos los cristalitos se hacen dependientes del tiempo.

Para que el giro al ángulo mágico reduzca un espectro de una muestra en polvo a una única línea al desplazamiento químico isótropo, la velocidad de giro de la muestra debe ser rápida comparada con la interacción anisótropa; un factor de alrededor 3 o 4. Cuando la velocidad de giro es menor, el espectro contiene unas líneas finas que aparecen a números enteros de la velocidad de rotación con respecto a la señal isótropa, y que se denominan bandas de rotación (Figura 2.h, parte B). La línea "isótropa" no es necesariamente la más intensa, pero se puede identificar porque es la única que no modifica su posición cuando se varía la velocidad de giro de la muestra. Las bandas de rotación siempre aparecen en fase en un sólido perfecto, pero pueden aparecer también en antifase cuando existe orientación preferente de los cristales en la muestra. Hay que destacar que la anisotropía de desplazamiento químico en unidades de frecuencia es proporcional a B0, y por lo tanto, al trabajar a campos mayores, se hace más difícil eliminar esta anisotropía (se requieren mayores velocidades de giro) [1].

Figura 3.c. Espectro de RMN de 31P del óxido de trifenilfosfina en estado sólido, a diferentes velocidades de giro bajo el ángulo mágico. (a) Sin giro; (b) giro a 1.5 kHz; (c) giro a 3.0 kHz

A partir de las ecuaciones que describen el acoplamiento dipolar homonuclear, se desprende que esta interacción también depende del factor geométrico (3cos2?-1), y por los tanto se anula con la rotación de la muestra al ángulo mágico, si la velocidad es rápida comparada con la anchura de línea producida por el acoplamiento dipolar homonuclear.

Actualmente, existen sondas comerciales que permite alcanzar velocidades de 30 kHz, y es posible girar la muestra hasta 50 kHz. Estas velocidades son suficientemente rápidas para producir espectros de alta resolución de 1H en muchos sólidos orgánicos cuyo ensanchamiento de línea por acoplamiento dipolar homonuclear, normalmente del orden de 20-50 kHz.

A velocidades de rotación mucho menores que la anchura dipolar homonuclear, el giro al ángulo mágico tiene muy poco efecto en el espectro de RMN, y la señal ancha que se observaría en ausencia de giro al ángulo mágico se altera muy poco. A velocidades de giro intermedias (entre la cuarta parte y la mitad de la anchura de línea dipolar), aparecen líneas de rotación, pero presentan un carácter muy diferente a las que aparecen debido a la eliminación incompleta de la anisotropía de desplazamiento químico o las interacciones dipolares heteronucleares; las primeras son anchas y las segundas estrechas. En el caso de acoplamiento dipolar homonuclear el estado del sistema de espines cambia en la escala de tiempo de rotación de la muestra, lo que impide que se promedie completamente la interacción dipolar en el sistema de espines [1].

Figura 3.d. Efecto del MAS para el ejemplo específico de un acoplamiento dipolar entre dos espines. Los cuatro conos representan las diversas posiciones adoptadas en el transcurso de un período de rotor para cuatro diferentes orientaciones del vector internuclear en relación con el eje del rotor. La flecha de dos puntas representa una posición arbitraria de uno de los vectores internucleares [8].

POLARIZACIÓN CRUZADA (CP)

La detección directa de núcleos diluidos como el 13C, el 29Si o el 15N conduce normalmente a una baja polarización de espín por su escasa abundancia isotópica y su baja ?, y por lo tanto, a una relación señal/ruido baja. Además, los tiempos de relajación son largos debido a la ausencia de interacciones dipolares homonucleares asociados a núcleos poco abundantes. Para aumentar la intensidad de la señal de núcleos escasos como el 13C y el 15N, muchos experimentos de RMN de estado sólido incluyen la transferencia de polarización de núcleos abundantes (normalmente 1H) utilizando una técnica que se denomina polarización cruzada (CP) que someramente consiste en una secuencia de pulsos desacoplando el protón del núcleo que se quiere estudiar.

La técnica CP se basa en la tendencia de la magnetización para fluir de núcleos muy polarizados a núcleos menos polarizados cuando los dos se ponen en contacto. En el caso de núcleos diferentes se requiere la aplicación de dos campos de radiofrecuencia (RF), uno sintonizado para los espines I, y el otro para los espines S [1].

La polarización cruzada se utiliza normalmente combinada con el MAS (CP-MAS)

Figura 3.e. Espectros 31P CP-MAS de los isómeros plano cuadrado (a) cis-[PtCl2(PPh3)2] y (b) trans-[PtCl2(PPh3)2]. Como se puede observar, los espectros de los isómeros cis y trans son bastante diferentes por lo que se pueden identificar con facilidad [4].

RMN MULTIDIMENSIONAL CON TRANSFORMADA DE FOURIER

La posibilidad de excitar la muestra con uno o más pulsos de radiofrecuencia (RF), cada uno de ellos aplicado con una potencia, duración, frecuencia, forma y fase particulares, e introducirlos en momentos específicos de tiempo durante el experimento de RMN, generalmente antes de que el sistema haya regresado al equilibrio por relajación, permite diseñar toda una gama de secuencias de pulsos de las que se puede extraer información molecular muy variada.

Una secuencia de pulsos es una distribución en el tiempo de alguno o varios de los siguientes elementos: i) un cierto número de pulsos de RF que afecten a uno o más tipos de núcleos, ii) tiempos de espera en los que no se hace nada sino esperar a que el sistema evolucione de una determinada forma. Estos tiempos de espera pueden ser fijos o bien incrementables si su duración se va aumentando a medida que se repite el experimento. iii) gradientes de campo magnético y iv) una etapa final en la que se adquiere la FID.

En un experimento de RMN multidimensional la secuencia de pulsos debe constar de al menos dos pulsos y éstos deben separados por un periodo de espera incrementable. La secuencia de pulsos se repite un número de veces adquiriéndose una FID en cada ocasión. La fase de alguno de los pulsos puede alterarse en cada repetición así como incrementarse la duración de uno o más tiempos de espera variables. Si la secuencia de pulsos tiene un tiempo de espera incrementable el experimento tendrá dos dimensiones, si tiene dos será de tres dimensiones, si tiene tres el experimento será de cuatro dimensiones. Aunque en teoría no existe límite en el número de dimensiones de un experimento, experimentalmente hay limitaciones impuestas por la consiguiente pérdida de señal por relajación que conlleva la detección de las distintas dimensiones. Los tiempos de registro de los experimentos de RMN multidimensional se pueden acortar drásticamente con las técnicas rápidas de RMN desarrolladas en la presente década.

Los experimentos multidimensionales se pueden clasificar en dos tipos principales:

Experimentos de correlación homonuclear: Son aquellos en los que todas las dimensiones corresponden al mismo núcleo. Ejemplos: COSY (COrrelationSpectroscopY), TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY), NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY).

Experimentos de correlación heteronuclear: En este experimentos se obtienen espectros cuyas dimensiones pertenecen a diferentes núcleos. Ejemplos: HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation), HSQC (Heteronuclear Simple Quantum Correlation), HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation), HOESY (Heteronuclear Overhauser Effect SpectroscopY).

Grosso modo, las interacciones que pueden detectarse por RMN se pueden clasisficar en dos tipos:

• Las interacciones a través de enlaces que se basan en el acoplamiento escalar

• Las interacciones a través del espacio que se basan en el acoplamiento dipolar. En el caso de muestras en disolución, el acoplamiento dipolar se manifiesta como efecto Overhauser nuclear que permite determinar la distancia entre los átomos [6].

Capítulo 4

Aspectos instrumentales de la RMN de sólidos

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO

Un espectrómetro de RMN está compuesto por diferentes partes que se encuentran representadas en el diagrama de bloques de la figura 4.a. Las funciones básicas del espectrómetro se podrían resumir en tres puntos. En primer lugar, la generación de las radiofrecuencias (RF) adecuadas en amplitud, frecuencia y fase. En segundo lugar, la dirección de estas RF a la muestra en el momento adecuado con un programador de pulsos, y finalmente la detección de la respuesta del sistema de una forma eficaz. Para ello, básicamente es necesaria la presencia de un imán, una bobina y un sistema de transmisión-recepción de radiofrecuencias todo ello bajo el control de un ordenador. Estas partes se encuentran representadas en negrita en el diagrama y están conectadas por líneas gruesas. Lo demás, son accesorios del espectrómetro.

Un espectrómetro moderno está controlado por un ordenador central (de adquisición) que tiene una capacidad de respuesta muy corta y que a su vez está recibiendo las órdenes que el usuario o espectroscopista manda a través de una estación de trabajo que puede operar en modo multiusuario. La comunicación electrónica entre esta estación de trabajo y el ordenador de adquisición tiene que ser de alta velocidad. El ordenador de adquisición está dedicado exclusivamente a esta tarea y ejecuta independientemente y sin interrupción alguna, los programas de adquisición definidos por el operador a través de una serie de parámetros como son: número de pulsos, potencias, tiempos de espera, intensidad de gradientes de campo, número de acumulaciones, etc. Para ello, da las órdenes pertinentes a los distintos componentes electrónicos para realizar operaciones como: cambiar la frecuencia de un pulso, cambiar la potencia del mismo, mandar al receptor iniciar la recepción de la señal, etc.

Figura 4.a. Diagrama de bloques de un espectrómetro de RMN de pulsos de alta resolución. Las partes esenciales del espectrómetro están en líneas gruesas. Las flechas indican el camino de la radiofrecuencia desde el ordenador del espectrómetro a la sonda y el regreso de la señal de RMN al ordenador donde se almacena. Desde el preamplificador, tanto la RF del canal de observación como la señal de RMN detectada van por el mismo cable. Las partes en línea fina representan funciones auxiliares del espectrómetro. A partir de la detección en cuadratura se generan dos señales moduladas en seno y coseno respectivamente y darán lugar a la parte real e imaginaria de la señal [7].

A partir del esquema presentado anteriormente, los pasos esenciales para obtener un espectro de RMN, y que nos van a servir para entender cómo funciona el espectrómetro, están representados por la dirección de las flechas que salen de las partes esenciales. Estas flechas indican el camino de la información desde el ordenador central del espectrómetro a la sonda que contiene la bobina que recoge la señal y la vuelta al ordenador donde la señal de RMN se almacena. En primer lugar, el ordenador manda una orden al control de RF para poner las frecuencias requeridas en el sintetizador y mandar los pulsos de RF desde el transmisor a los diferentes amplificadores, de acuerdo a los requerimientos experimentales definidos previamente. A partir de los datos almacenados digitalmente, el transmisor prepara los pulsos con las formas precisas, las fases, la longitud y la potencia antes de mandarlos a los amplificadores lineales. La RMN moderna precisa que todo esto se lleve a cabo en unos pocos microsegundos, lo que dura la ejecución de una secuencia de pulsos. Todo el sistema en el transmisor y los amplificadores tiene que ser lineal, de lo contrario, los pulsos con formas no rectangulares estarán distorsionados y no actuarán en la forma esperada. A través de los amplificadores, los pulsos de RF llegan a la bobina de la sonda de manera que la RF se dirige a la muestra colocada en la parte superior de la sonda lo más cerca posible de la bobina.

Dado que, por una serie de motivos que se comentaran más adelante, es conveniente usar la misma bobina para mandar la RF de observación que para recibir la débil respuesta de los núcleos, los pulsos de RF tienen que pasar a través del preamplificador. En el camino de vuelta, la señal es recogida por la bobina y llega al preamplificador sin atenuar o con mínima atenuación. Luego esta señal sale del preamplificador con la frecuencia de RMN amplificada lo suficiente para preservar la relación S/N en las subsiguientes etapas de amplificación y mezcla. La señal no puede ser digitalizada a la frecuencia de RMN y debe ser transformada a un rango de frecuencias de unas pocas decenas de kHz. Para ello se disponen de digitalizadores con un rango dinámico amplio. Esta reducción de frecuencia se produce en varias etapas a través de una frecuencia intermedia y es posteriormente digitalizada en el convertidor analógico digital (CAD) que muestrea la señal en puntos discretos y la convierte en una serie de números. Finalmente, la señal se filtra y se manda al ordenador donde los diferentes barridos se suman y los datos así obtenidos pueden finalmente procesarse.

Adicionalmente a la tarea principal de obtener espectros de RMN, el espectrómetro lleva a cabo un montón de funciones auxiliares. Una de ellas es mantener un ajuste muy bueno de la homogeneidad del campo magnético sobre cada muestra concreta. Para ello se dispone de bobinas de homogeneidad o bobinas de shim. Por otra parte, hay que mantener estable la relación campo/frecuencia permanentemente, por lo que hay que monitorizar una señal de referencia (deuterio). Asimismo, también es preciso mantener estable la temperatura del experimento, poder usar conjuntamente con la radiación RF los gradientes de campo magnético, etc. Todas estas tareas se coordinan también a través del ordenador del espectrómetro [7].

LOS COMPONENTES DE LAS RUTAS DE LA RADIOFRECUENCIA.

El camino de la transmisión.

Tal como queda representado en la figura 4.a, este camino empieza en el sintetizador de frecuencias y termina en la bobina de RF de la sonda. El papel del sintetizador es proporcionar la frecuencia base para el transmisor. Por razones obvias de estabilidad, todas las radiofrecuencias del espectrómetro se generan a partir de un oscilador único mediante multiplicaciones, sumas, o restas de esta frecuencia patrón. El transmisor funciona de forma continua pero el paso posterior de la RF está controlado por el programador de pulsos, controlado a su vez por el ordenador de adquisición. Del transmisor sale finalmente la frecuencia concreta, la duración y la fase de la radiación que se ha programado. La precisión de cada una de estas tareas es muy alta ya que la frecuencia puede ser definida en pasos discretos de al menos 0.1 Hz, la fase en pasos de 1º o menores y la duración de los pulsos en fracciones de 50 ns o menores. Antes de entrar en la etapa final de amplificación, el pulso debe atenuarse para conseguir la potencia preestablecida en el experimento. A partir de la potencia máxima, la RF puede ser atenuada en un rango también muy amplio, típicamente del orden de 80 dB o más, en pasos de 0.1 dB o menores. Normalmente la potencia a la salida del transmisor es cercana a 1 mW y esta RF debe ser atenuada antes de amplificarse hasta 50-1000 W. La función del atenuador es controlar exactamente la potencia de salida del canal de radiofrecuencia. Desde el amplificador lineal de potencia, el pulso viaja a la sonda estableciéndose un campo magnético oscilante linealmente polarizado 2B1 a lo largo de toda la muestra.

Normalmente se precisan dos tipos de amplificadores, dado que técnicamente es difícil diseñar uno que cubra satisfactoriamente todo el rango de frecuencias. Un tipo se utiliza para los núcleos de alto valor de ? tales como 1H y 19F, mientas que los del otro tipo se utilizan para los núcleos de bajo valor de ? como 31P, 13C y 15N. Típicamente las potencias de los amplificadores de protón son de 50-100 W. Para la mayoría de los heteronúcleos con bajo valor de ?, es preciso disponer de amplificadores de alta potencia, normalmente en el rango de 300-500 W con el fin de evitar pulsos excesivamente largos que pueden tener perfiles de excitación no convenientes. Todas las etapas del camino de transmisión deben estar bien linealizadas. La linealización tiene la ventaja de que las potencias de todos los pulsos pueden ser calculadas a partir de un pulso rectangular independientemente de la forma, longitud, potencia y fase. Esto evita la determinación experimental de estos parámetros, que en muchos casos puede no ser sencilla.

Un espectrómetro moderno puede tener entre dos y cuatro canales de radiofrecuencia.

Cuando se aplican diversas RF en un mismo experimento, cada canal de radiofrecuencia debe ser optimizado y protegido insertando filtros entre el amplificador y la sonda. Así se previene que frecuencias muy distintas de la asignada a cada canal puedan llegar a la muestra y afectar severamente la medida.

Es interesante recordar aquí algunas definiciones técnicas y relaciones que son importantes en este contexto. En primer lugar la potencia del transmisor P se expresa habitualmente en relación a la frecuencia de referencia en escala logarítmica, en unidades de dB:

Donde V es el voltaje aplicado. El campo B1 es proporcional a este voltaje en la bobina. Si suponemos por ejemplo que el usuario quiere doblar la longitud de su pulso de 90º, el voltaje en la bobina debería ser la mitad y la potencia debe ser reducida por un factor de cuatro.

Cambiar en un factor de 2 un pulso de 90º requiere un cambio de potencia de 6 db.

La potencia P del amplificador puede calcularse a partir del voltaje pico-pico Vpp medido a través de una resistencia de 50 Ohm usando la ecuación:

El campo B1 se mide en Tesla (T) en el sistema SI, pero puede también expresarse en unidades de Gauss (G) y en unidades de kHz, de manera que puede establecerse la relación:

B1 [G] = 0.23334 B1 [kHz]

Cada Tesla corresponde a 104 G. Si tenemos en cuenta la relación ?B1/2p = 1/t360, un campo B1 de 5 G corresponde a 21.42 kHz o a un pulso de 90º de 11.7 us [7].

La ruta de la detección.

El receptor de un espectrómetro de RMN es muy parecido a un receptor de radio doméstico en el cual la señal de RF es detectada por una antena y convertida en una señal de audiofrecuencia, utilizando un proceso de conversión de frecuencias y de modulación. La figura 4.a nos muestra como este camino de detección empieza en la bobina de la sonda y termina con la digitalización de la señal en la memoria del ordenador. Así pues, tal como se ha comentado en el apartado 2 (Detección en RMN), la señal de RMN se obtiene como un voltaje oscilante. Posteriormente, esta señal se manda al preamplificador para ser amplificada.

El voltaje típico inducido en la bobina por la magnetización nuclear es muy pequeño, del orden de los micro-nano (10-6 – 10-9) voltios. Por ello, las pérdidas en la transmisión deben ser minimizadas poniendo el preamplificador lo más cercano posible a la bobina. La calidad del preamplificador, juntamente con la de la bobina receptora, determina la máxima relación señal-ruido que puede obtenerse con un espectrómetro concreto. En las criosondas, el preamplificador suele estar incorporado en el cuerpo de la sonda de manera que puede ser enfriado a la vez que la bobina. Desde el preamplificador, la señal se manda a la parte de la consola que se encarga de convertir la RF en una frecuencia menor, de rango intermedio, que es la misma para todos los núcleos. El uso de la frecuencia intermedia permite un tratamiento posterior de la señal que no depende del núcleo en cuestión. Este proceso se aplica en dos etapas hasta conseguir la señal de audiofrecuencia deseada.

La bobina de transmisión/recepción es paralela al eje x, por lo que únicamente detecta la magnetización Mxy en este eje. Ello hace que no sea posible saber el signo de la componente Mxy según y. En la práctica esto equivale a ignorar si las frecuencias detectadas son mayores o menores que la frecuencia del pulso de excitación lo que obligaría a dar el pulso de medida en un extremo del intervalo espectral deseado para poder obtener siempre diferencias de frecuencia del mismo signo. Como consecuencia, sería preciso efectuar un filtrado de ruido adicional, originado por el obligado aumento (al doble) de la anchura espectral, lo que a su vez daría origen a un empeoramiento notable de la relación señal/ruido.

El problema se resolvería si se dispusiese de otra bobina receptora igual situada en el eje y. En la práctica se utiliza otra solución, que es matemáticamente equivalente, pero que no requiere la presencia física de la segunda bobina. Es lo que se llama la detección en cuadratura. El sistema dispone de dos detectores de manera que, a la frecuencia intermedia, la señal de RF se separa y se envía a los dos canales diferentes donde se mezcla con una frecuencia de referencia RFRef (la de transmisión) que está desfasada en 90º en un canal respecto al otro (figura 4.b). Así, la información que circula por cada canal corresponde a una modulación seno y a una modulación coseno de la señal. Combinando las componentes detectadas en ambos canales y haciendo uso de las propiedades de la transformada de Fourier, pueden obtenerse las dos componentes de Mxy, y determinarse el signo de la frecuencia de resonancia respecto a la frecuencia de referencia o de medida.

Figura 4.b. Diagrama de la detección en cuadratura. Cada detector sensible a la fase (DSF) tiene dos frecuencias de entrada y una de salida. La salida final son dos señales moduladas en seno y en coseno que permiten diferenciar frecuencias mayores y menores que la del pulso de medida [7].

Una etapa posterior reduce la frecuencia de la señal en la zona de las radiofrecuencias, del orden de 100 kHz. La señal así detectada es digitalizada y mandada a un filtro digital que elimina parte del ruido y las señales que están fuera de la ventana de observación. La señal digitalizada se almacena en el ordenador [7].

PRINCIPALES COMPONENTES DEL EQUIPO

A continuación, se muestra de forma esquemática los principales componentes de un equipo para medidas de resonancia magnética nuclear.

Figura 4.c. Principales componentes de un espectrómetro de RMN [5].

Como se observa, el espectrómetro de RMN consta de cuatro partes básicas:

1. Un imán estable, con un controlador que produce un campo magnético preciso.

2. Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias precisas.

3. Un detector para medir la absorción de energía de radiofrecuencia de la muestra.

4. Un ordenador y un registrador para realizar las gráficas que constituyen el espectro de RMN [5].

Imanes

El componente principal de los instrumentos de RMN tanto de onda continua como de trasformada de Fourier es el imán. La sensibilidad y la resolución de ambos tipos de espectrómetros dependen críticamente de la intensidad y calidad de sus imanes. Puesto que tanto la sensibilidad como la resolución aumentan con el aumento de la intensidad del campo, resulta ventajoso operar a la mayor intensidad de campo posible. Además, el campo debe ser muy homogéneo y reproducible. Estos requisitos convierten al imán en el componente más caro, con diferencia, de un espectrómetro de RMN [9].

Para la mayoría de aplicaciones de la RMN se precisan imanes que generen un campo magnético intenso, de elevada homogeneidad (véase Tabla 4.1), y gran estabilidad.

Tabla 4.1. Requisitos de Homogeneidad del campo magnético para las diferentes aplicaciones de RMN.

Fuente: LORENZO, Emilio. Imanes en Espectrómetros de RMN. inteRMnet. Universidad de Alicante. Imágenes cortesía de BRUKER ESPAÑOLA [10].

Los imanes pueden ser de tres tipos:

• Imanes permanentes

Constituidos por polos cilíndricos, construidos de un material magnetizable y con una envoltura de hierro para cerrar el circuito magnético. La magnetización suele hacerse por paso de corriente a través de unas bobinas que rodean al imán. Cuando se ha logrado el campo deseado cesa el flujo de corriente. Resultan campos de 1.4 T aproximadamente (frecuencia de resonancia del protón ~60 MHz) [10]

• Electroimanes

Similar a los anteriores pero en este caso la corriente se hace pasar de forma continua. Normalmente resultan campos del orden de 2.3 T (frecuencia de resonancia del protón ~100 MHz), la geometría de los polos, naturaleza de los materiales y el consumo eléctrico son los determinantes de la fuerza del campo magnético resultante.

Los equipos que emplean electroimanes tienen una masa muy grande; así por ejemplo un equipo de 2.3 T  y de 30 cm de diámetro de polo,  tiene una masa de 2000 Kg.

Los electroimanes son capaces de alcanzar campos magnéticos del orden de 35 T, pero a costa de un elevadísimo consumo eléctrico.  [10]

• Imanes superconductores

Los más extensamente empleados. Constituidos por múltiples capas de un solenoide, un arrollamiento helicoidal de cable, de material superconductor. El sistema está sumergido en un baño de helio líquido. El criostato de helio líquido se diseña con un acceso para la muestra a temperatura ambiente, para la espectroscopía RMN de alta resolución, el diámetro de los imanes varía entre 50 y 100 mm.

Los materiales que constituyen el solenoide son superconductores del tipo II, que pueden soportar altos valores de campo magnético sin perder la superconductividad. Se emplean extensamente aleaciones de elementos metálicos que presentan buenas propiedades superconductoras y además posean otras propiedades físicas (ductilidad, maleabilidad, resistencia a la tensión, etc.) y químicas, como es, la eliminación sencilla  de impurezas paramagnéticas (que reducen las propiedades superconductoras). 

Un superconductor se define con exactitud dando tres parámetros: Su densidad de corriente crítica Jc, su temperatura crítica Tc, y su cota superior de campo magnético H2c. H2c y Tc son parámetros característicos del material, mientras que Jc depende fuertemente de la microestructura. Un nuevo material superconductor, útil en RMN, deberá permitir una densidad de corriente lo suficientemente grande como para proporcionar un campo magnético de la intensidad deseada y deberá ser capaz de soportar un campo magnético grande sin destruir su carácter superconductor; así por ejemplo, con aleaciones de Nb, Al y Ge se han llegado a alcanzar valores de H2c de 410 kG (41 T) en el punto de ebullición del helio. En lo referente a la temperatura crítica, es interesante diseñar sistemas que posean una Tc lo más alta posible.

Las aleaciones del tipo Nb3Sn y Nb-Ti se emplean extensamente en la construcción de imanes de RMN, las primeras en campos superiores a 9.4 T (400 MHz para protón) y las segundas en campos inferiores a 9.4 T. Para frecuencias de protón de 1 GHz o superiores se está apostando por una serie de nuevos superconductores de niobio tipo Nb3Al y Nb3(Xx, Al1-x) con X=Ge, Ga, Be, B y Cu; el estudio de su proceso de fabricación está aún en sus inicios .

Normalmente los hilos SC están contenidos en una matriz de cobre o bronce. Concéntricos con el eje del hilo se disponen los filamentos de material SC en un número que va desde el medio centenar (Nb-Ti) hasta varios miles (Nb3Sn). Con estos últimos es posible alcanzar campos de hasta 21 T de la homogeneidad requerida en RMN. Con la tecnología actual es imposible fabricar un hilo SC de unos 250 Km, la longitud  requerida para un equipo de 900 MHz; es por ello que los fabricantes han desarrollado técnicas de soldadura de baja resistencia de los extremos de los hilos SC. Estas técnicas se emplean con los diferentes tipos de aleaciones.  [10]

Figura 4.d. Detalle de los cables SC [10].

El imán está constituido por varias capas de material superconductor (SC) enrollado según una disposición solenoidal, de modo que se refuerce la intensidad del campo magnético en el eje central del mismo. Suele ser habitual emplear bobinados distintos, diferentes tipos de aleación, en la construcción de un mismo imán, atendiendo a criterios de homogeneidad y fuerza del campo magnético que se desea alcanzar.

Figura 4.e. Detalle de las bobinas SC [10].

Normalmente, un imán SC de RMN o RMI se impregna en fábrica con una resina epoxi que confiere al material una especial rigidez frente a las dilataciones bruscas y en todas direcciones que se derivan de un quench; si estas deformaciones llegaran a producirse la bobina superconductora sería dañada irreversiblemente, perdiendo los requisitos de homogeneidad que exige la RMN. Al mismo tiempo la rigidez proporcionada por estas resinas permite al imán soportar las tremendas tensiones y el stress al que se ve sometido, debido a la tremenda cantidad de energía almacenada en el mismo (nótese que un equipo de RMN de 900 MHz que opere a temperatura ambiente y de unos 65 mm de diámetro es capaz de almacenar una energía de 27 MJ [unos 6.4 kg de TNT]).

El diseño del imán y su geometría resulta decisivos a la hora de establecer la cantidad de energía que deberá acumular si se desea un campo magnético de determinada potencia (así por ejemplo en un equipo de 900 MHz de 54 mm de diámetro se reduce la energía almacenada en el solenoide superconductor a 17 MJ [unos 4 kg de TNT]). Tradicionalmente, en imanes de menor campo, se han venido empleando ceras como tales agentes de reforzamiento de los imanes.

Figura 4.f. Impregnación de las bobinas SC [10].

Ya que se almacena una enorme cantidad de energía en un imán superconductor, en caso de fallo de las propiedades superconductoras (el material pase a poseer una resistencia no nula al paso de corriente) toda esta energía debe ser disipada de una forma rápida y ordenada. Los fabricantes de imanes SC de resonancia magnética emplean grandes esfuerzos en el estudio de medios eficaces de disipación de energía en el imán, sin producirle daño, en caso de quench.

Normalmente, los imanes SC están sumergidos en un baño de helio líquido (2.2 K). En los últimos años, la tendencia ha sido la de emplear crioenfriadores que eliminan la necesidad de realizar rellenos periódicos de helio líquido; además permiten el uso de imanes SC en ambientes "hostiles", tales como desiertos o bosques de zonas húmedas. Los criostatos actuales suelen emplear dispositivos de enfriamiento de superfluidos basados en la expansión adiabática Joule-Thompson (JT) [una válvula controlada por un pequeño motor y un intercambiador de calor, la válvula se controla por un dispositivo mecánico que puede ser controlada por ordenador]. Estos enfriadores minimizan notablemente las pérdidas de helio líquido. Los diseños suelen emplear dos camisas exteriores a la del imán que contienen He líquido y N2 líquido; la primera empleada como reserva del He líquido y la segunda como escudo térmico del sistema. Estas camisas se encuentran separadas por una cámara de vacío de unos 10-6 mBar.

Figura 4.g. Interior del recipiente Dewar que contiene el imán SC de alto campo (>700 MHz). El baño de helio líquido se encuentra a presión atmosférica y sólo la unidad de enfriamiento Joule-Thompson opera a presión reducida [10].

Cuando se adquiere un equipo de RMN, el imán suele llegar de fábrica a temperatura ambiente. El técnico debe llevar a cabo un proceso de enfriamiento del mismo, empleando helio líquido y casi siempre también nitrógeno líquido. Este proceso suele durar varios días, así por ejemplo un equipo de 900 MHz puede requerir unas 2 semanas para tener el superconductor a una temperatura de unos 4 K y a costa de un consumo de 104 l de nitrógeno líquido y 7500 l de helio líquido. El proceso de excitación del solenoide SC, pasando corriente desde un potenciostato a través del mismo para transformarlo en un imán SC, requiere mucho tiempo debido a la gran inductancia del imán (más de 1000 H en un 900 MHz); al final del mismo circulará una corriente de varios cientos de amperios que originará el campo magnético.

A pesar de los notables avances logrados por la ciencia de los materiales en el estudio de nuevos SC; aleaciones con muy buenas propiedades mecánicas (ductilidad y maleabilidad) y físicas (mejora en las propiedades SC); la tecnología actual es incapaz de proporcionar un hilo SC que genere un campo magnético de las condiciones requeridas en RMN. Partiendo de esto, los imanes se diseñan con sistemas de bobinas de crioshim que, por paso de corrientes a través de las mismas, permiten corregir las inhomogeneidades que pudiera poseer el campo magnético generado por el solenoide principal. El técnico, una vez ha excitado el solenoide principal, debe excitar con el potenciostato estas bobinas de modo que el campo final resulte con la homogeneidad suficiente. 

En materia de seguridad frente a campos magnéticos (estáticos) intensos, un equipo de 500 MHz puede llegar a borrar una tarjeta con banda magnética a una distancia de 3 m, o lo que es más importante detener un estimulador cardiaco (o similar) lo cual obliga a situar un equipo de RMN en una zona aislada o de acceso restringido. Es por ello que desde hace unos pocos años los fabricantes de estos equipos han hecho notables esfuerzos por construir imanes apantallados.

Una metodología útil ha sido la de emplear otros arrollamientos de superconductor que generan campos magnéticos que se oponen al campo magnético principal y prácticamente lo neutralizan fuera del recipiente Dewar que contiene al imán. Sin embargo, esta metodología resulta muy cara cuando se aplica a altos campos (800 MHz o mayores) debido a que requiere una mayor longitud del solenoide superconductor principal, llegando a encarecer hasta un 30 % el valor del imán. En campos mayores de 800 MHz los fabricantes de imanes SC están empleando sistemas de apantallamiento pasivo mediante el uso de estructuras especiales que rodean el imán. Evidentemente, al mismo tiempo, estas medidas de seguridad garantizan la realización óptima de experimentos de RMN frente a fuentes electromagnéticas externas. 

Figura 4.h. Principio de Apantallamiento activo: las bobinas interior y exterior crean un campo magnético muy homogéneo en el centro del imán y prácticamente se anula en el exterior [10].

El diseño de los criostatos de RMN suele tener en cuenta una serie de medidas de anti-vibración. Estos sistemas hacen que cualquier perturbación mecánica (de bombas de alto vació, vibraciones externas, etc) sea directamente absorbida por las paredes del Dewar y no pasen al criostato. Una disposición habitual en los equipos de RMN de 900 MHz es una jaula cilíndrica, constituida por soportes amortiguadores de vibración,  que rodea la circunferencia del Dewar del equipo de RMN; esta estructura soporta el criostato por su centro de gravedad. La estructura del criostato requiere una gran rigidez, en parte debido a las tremendas condiciones mecánicas que debe soportar ante un hipotético quench, que viene acompañada por una masiva evaporación de helio líquido [10].

Bobinas de homogeneidad de campo (bobina shim)

Adicionalmente a la espira principal, el imán superconductor tiene espiras superconductoras adicionales (crio-shims) que producen gradientes específicos de campo magnético que se usan para mejorar la homogeneidad de la bobina principal. Estos crio-shims corrigen grandes inhomogeneidades. Las corrientes de estas bobinas se establecen en el momento de la instalación del espectrómetro y normalmente no se modifican posteriormente.

Sin embargo, la homogeneidad de un espectrómetro de RMN de alta resolución sólo puede alcanzarse con la ayuda de otras bobinas de shim que se encuentran a temperatura ambiente.

Estas últimas están situadas en un tubo cilíndrico que rodea a la sonda (figura 4.d) y cada una de ellas produce correcciones del campo en determinadas direcciones del espacio. Están diseñadas para crear pequeños campos magnéticos que se oponen y cancelan las inhomegenidades del campo principal. Dado que estas variaciones existen en una gran variedad de formas funcionales (lineales, parabólicas, etc) las bobinas de shim deben ser capaces de crear una gran variedad de campos de oposición. Típicamente hay de 20 a30 shims de temperatura ambiente que en la mayoría de los espectrómetros están controlados por el ordenador. Estos shims deben optimizarse para cada muestra concreta. Los espectrómetros más modernos están equipados con mecanismos de homogenización por gradientes de campo magnético. Estos procesos son más efectivos en soluciones acuosas [7].

Sonda

La sonda es, probablemente, la parte más importante del espectrómetro. Podemos decir que la versatilidad de un equipo de RMN depende de la diversidad de sondas disponibles, que se diferencian entre ellas en el tamaño del tubo de muestra que aceptan, el rango de frecuencias en el que pueden trabajar, el número de canales y la situación de las bobinas. En la sonda es donde queda colocado el tubo de muestra y es la parte del espectrómetro encargada de mandar la RF y detectar la señal que proviene de la muestra.

Contiene la bobina de RF para transmisión/recepción, las bobinas del canal de estabilización (lock) y las bobinas de los gradientes. Además, contiene la unidad para el giro de la muestra y el circuito para el control de la temperatura.

El giro de la muestra alrededor del eje del tubo se lleva a cabo con la ayuda de un rotor. En RMN de solidos el sistema de giro son del tipo neumático donde se alcanzan velocidades del orden de 200-26 000 Hz.

Las sondas se construyen para albergar tubos de RMN de diferentes diámetros. El diámetro más común es el de 5 mm.

Sin embargo existen también sondas de 2.5, 3, 8 y 10 mm, además de un sinfín de sondas especiales: de flujo, microsondas, etc., e incluso sondas para trabajar a muy altas o muy bajas temperaturas. En este apartado vamos a describir con más detalle las bobinas de la sonda.

Según la configuración de sus canales de radiofrecuencia las sondas se pueden clasificar de la siguiente forma:

Tabla 4.2. Clasificación de las sondas según el número de canales que posea, esto determina el número de núcleos diferentes que el equipo puede estudiar al mismo tiempo.

Fuente: LORENZO, Emilio. Sondas de RMN. inteRMnet. Universidad de Alicante. Imágenes cortesía de BRUKER ESPAÑOLA [15].

• Bobina de radiofrecuencia

La bobina de radiofrecuencia actúa como una antena. Por una parte, transmite los pulsos de radiofrecuencia de la secuencias de pulsos (el campo magnético B1 que rota la magnetización neta). Además, detecta la respuesta de los espines via la magnetización transversal que precesiona en el plano xy, la cual induce un voltaje en la bobina. La utilización de dos bobinas diferentes para la transmisión y la recepción tiene conceptualmente algunas ventajas. Sin embargo, el diseño de dos bobinas sintonizadas a la misma frecuencia que deben situarse en un espacio muy pequeño es una tarea difícil debido a las interferencias que pueden producirse y el resultado no es óptimo. Por ello, en los espectrómetros de RMN se utiliza una única bobina de recepción/transmisión. La bobina de RF produce un campo magnético oscilante linealmente polarizado (B1) perpendicular a la dirección z del campo magnético estático que se toma como x por convención.

Figura 4.j. Izquierda, esquema del campo producido por la bobina de RF B1, perpendicular al campo magnético principal B0. Derecha, el dibujo del interior de una sonda donde puede apreciarse la bobina de recepción/transmisión que rodea al lugar donde se sitúa el tubo de muestra [7].

Uno de los parámetros que caracterizan una bobina es el factor de calidad Q. Este factor mide el amortiguamiento (damping) en el circuito, es decir la relación entre la energía almacenada y la energía perdida en cada periodo de operación. El factor Q vale:

Así, para una bobina, un valor alto de Q significa una resistencia pequeña, o lo que es lo mismo una perdida también pequeña y por tanto un comportamiento más parecido a la bobina ideal. En general, cuanto mayor es Q, mayor es la sensibilidad y mayor el campo de RF que puede obtenerse para una potencia dada. Q determina a su vez el lapso de tiempo o demora necesario para cualquier cambio de potencia o fase en la RF. El valor de esta demora en nanosegundos es aproximadamente igual al valor de Q. Los valores típicos de Q están en el rango de 300 a 400.

La homogeneidad del campo B1 creado por la bobina es un factor determinante de la calidad de la misma. Si el campo no es homogéneo no todos los núcleos de la muestra experimentarán el mismo pulso. Esto se hace más importante en secuencias largas con numerosos pulsos de RF en las que se perderá gran parte de la señal e incrementaran el número de artefactos.

Por razones de sensibilidad, la bobina debe encontrarse muy cerca de la muestra (figura 4.j, derecha). Esta proximidad espacial puede causar problemas cuando la bobina y el medio circundante, normalmente aire o nitrógeno usado para la estabilización de la temperatura, no tienen la misma susceptibilidad magnética. En estas condiciones la presencia de la bobina puede distorsionar el campo magnético estático en la muestra y dificultar mucho el proceso de homogeneización. Para solventar estos problemas, las sondas pueden ser construidas específicamente para diferentes susceptibilidades magnéticas del aire o del nitrógeno y deben usarse con el gas correspondiente para obtener buenos resultados.

Las bobinas deben ser sintonizadas específicamente para la muestra que vaya a ser estudiada. Cada bobina tiene una banda o rango de frecuencias a las que puede resonar.

Cuando ponemos una muestra en la bobina, la conductividad y la constante dieléctrica de la muestra afecta a la frecuencia de resonancia. Si esta frecuencia es diferente a la frecuencia seleccionada, la bobina no mandará de forma eficiente el campo B1, ni detectará eficientemente la señal que viene de la muestra. Esto finalmente conlleva una pérdida de sensibilidad en el experimento. La mejor sensibilidad se consigue después de sintonizar la sonda exactamente a la frecuencia de resonancia de cada núcleo en cada muestra concreta.

Pero además, la bobina tiene que ajustarse a la impedancia de los circuitos del transmisor y del receptor (normalmente 50 Ohms). Este valor es el requerido para la óptima transmisión de los pulsos de RF a la muestra y de la señal inducida de RMN al receptor a través de los cables coaxiales. Todo ello se hace gracias a la presencia de pequeños capacitadores variables colocados en la sonda. Cuando la sonda está bien sintonizada y con la impedancia ajustada, no hay RF reflejada y toda la potencia es absorbida.

Figura 4.k. Representación de la potencia reflejada frente a la frecuencia. Izquierda, bobina mal sintonizada (error de tunning) y con mal ajuste de la impedancia (error de matching). Derecha, bobina bien ajustada [7].

Los últimos avances en la tecnología de sondas han conducido al desarrollo de las sondas criogénicas. Estas sondas utilizan el helio gas para enfriar la bobina de excitación/recepción y el preamplificador de señal a 20-70 K, mientras la muestra se mantiene a la temperatura del experimento. Como consecuencia de ello se optimiza la eficiencia de la bobina y se reduce el ruido térmico, lográndose mejoras en la relación señal/ruido en un factor de 3 a 4. Eso permite reducir el tiempo de los experimentos o, alternativamente, la concentración de la muestra a estudiar [7].

• Bobina de gradientes

Las sondas modernas no sólo contienen bobinas de RF si no que, adicionalmente, tienen bobinas apantalladas para aplicar gradientes de campo magnético en una o en las tres dimensiones espaciales. Estas bobinas están colocadas dentro de la sonda y producen gradientes de campo magnético B0 que son necesarios para aplicar la espectroscopía de gradientes, experimentos de difusión y microscopía de RMN. No todas las sondas tienen gradientes y no todos los espectrómetros de RMN tienen el equipamiento necesario para poder utilizarlos. Son bobinas de temperatura ambiente. Para crear los gradientes en la dirección z (paralelo a B0) la bobina es del tipo anti-Helmholtz, para los gradientes en x e y las bobinas tienen otros diseños (figura 4.l).

Figura 4.l. Diferentes tipos y formas de las bobinas de gradientes utilizadas en los ejes x, y, z [7].

Los gradientes de campo que se obtienen son del orden de 0,5 T/m (50 G/cm). Para ello estas bobinas están cargadas con corrientes eléctricas en el rango de los 10 A. Cuando se enciende o apaga una corriente de esta intensidad, la bobina de gradientes tiende a vibrar. Esto es algo que hay que minimizar para poder obtener espectros de alta resolución ya que estas perturbaciones interfieren con el requisito básico de la recuperación rápida de la homogeneidad del campo magnético después de la aplicación del gradiente. Las sondas de gradientes tienen que estar diseñadas para recobrar "inmediatamente" la homogeneidad. Unos valores típicos serían: un tiempo de recuperación de unos 100 µs después de un pulso de gradiente rectangular en el eje z de 2 ms a un valor de 0.5 T/m. En el caso de gradientes en los tres ejes, las interferencias entre las distintas bobinas, incrementan los tiempos de recuperación individuales.

Como ya se ha comentado, el uso de gradientes de campo posibilita un método eficaz para conseguir la homogeneidad de campo de una forma sencilla y semiautomática [7].

• Control de temperatura

La temperatura de la muestra debe ser controlada de forma precisa para evitar desviaciones. En primer lugar la temperatura debe ser muy estable y no desviarse más de 0.05 K de la temperatura deseada. Esto es especialmente importante cuando se trabaja en disoluciones acuosas ya que la señal de resonancia del agua presenta una dependencia muy grande con la temperatura (0.01 ppm/K). Si la temperatura es inestable, el sistema de lock trata de compensar la desviación de la señal de D2O. Ello conduce, consecuentemente, al desplazamiento de las demás señales del espectro que tienen una dependencia con la temperatura probablemente menor que la del agua pero en cualquier caso distinta a la de ella.

En experimentos multidimensionales largos, si la temperatura no es estable, las resonancias individuales no están siempre completamente alineadas a lo largo de todos los incrementos del periodo de evolución. Ello da lugar a bandas de ruido (ruido t1) perpendiculares al eje de la dimensión directa de medida. Además, las inestabilidades de temperatura incrementan los artefactos en la espectroscopóa de diferencia. Los problemas derivados de una mala regulación de la temperatura son tanto más importantes cuanto más finas sean las señales en el espectro.

Para regular la temperatura, se hace fluir una corriente de gas (aire o nitrógeno) alrededor de la muestra. Este gas ha pasado previamente por una resistencia eléctrica. Un termopar introducido en la sonda, en una zona muy próxima a la muestra, mide la temperatura y un circuito electrónico se encarga de regular la potencia de la resistencia para conseguir la temperatura deseada. Para que la regulación sea correcta, la temperatura de entrada del aire debe de ser al menos 10 K por debajo de la temperatura a la que se quiere regular en la muestra. Por eso, es necesario disponer de un accesorio que permita enfriar el aire o el nitrógeno previamente a su introducción en la sonda para que luego pueda ser calentado.

Además, el flujo debe ser suficientemente alto para disipar eficientemente el calentamiento que se pueda producir por radiaciones intensas, como por ejemplo en el desacoplamiento heteronuclear o durante el tiempo de mezcla de un experimento TOCSY. El flujo de aire es especialmente crítico en le caso de las sondas criogénicas ya que debe ser lo suficientemente elevado como para homogeneizar el posible gradiente de temperatura entre la sonda (que se encuentra a 20-40 K) y la muestra. Sin embargo, en ningún caso, el flujo de aire debe ser excesivamente alto puesto que puede producir vibraciones o movimientos del tubo de muestra que rebajarían la calidad de los espectros obtenidos.

Es importante tener en cuenta que las variaciones de temperatura en la habitación pueden afectar el correcto control de la temperatura en la muestra. Además, fallos en la correcta regulación de la temperatura del experimento pueden dañar la muestra y, más importante, pueden dañar la sonda. Por ejemplo, un fallo o una mala adecuación de los parámetros que controlan la resistencia del circuito podría congelar o sobrecalentar la muestra dependiendo de la temperatura del gas de entrada y del defecto o exceso de la potencia permitida de calentamiento. Los posibles fallos en el suministro del flujo de aire son algo también a considerar para evitar daños, especialmente en el caso de las sondas criogénicas [7].

• Sistemas de estabilización de campo y frecuencia

Los modernos espectrómetros de RMN precisan de una elevada estabilidad (mayor de

10-9) del campo magnético y de la frecuencia. Podría pensarse que la estabilidad de ambos, la radiofrecuencia y el campo magnético, debe de ser al menos del mismo orden de magnitud lo cual es imposible de alcanzar con las herramientas actuales. El campo magnético tiene una tendencia natural a derivar paulatinamente con el tiempo, varía con las fluctuaciones de temperatura y presión, se afecta con la presencia de material magnético en movimiento, etc.

Estas modificaciones externas son del orden de 10-20 miligauss (10-7) y son excesivas si deseamos medir por ejemplo una señal de protón con una anchura a mitad de la altura de 0.3 Hz a 800 MHz en experimentos que duran días. Afortunadamente, es suficiente con que la relación campo-frecuencia sea estable en el orden de 10-9. Estas condiciones pueden obtenerse midiendo la señal de RMN de un núcleo determinado de forma permanente y compensando el campo magnético para cualquier desviación que se produzca en la posición de resonancia de esta señal. Este acoplamiento del campo magnético a una frecuencia de resonancia se conoce como lock (bloqueo campo-frecuencia) y para ello se utiliza habitualmente la resonancia de deuterio incluida en la mayoría de los solventes que se utilizan en RMN.

El circuito de lock se llama también circuito de estabilización, y puede imaginarse como un espectrómetro adicional dentro de nuestro espectrómetro. Su misión es detectar la señal de deuterio en dispersión (al revés de lo que es habitual en la espectroscopía de RMN que detecta la señal e absorción) (figura 4.m). Dado que la posición de resonancia de cualquier núcleo depende del campo magnético, cuando se produce alguna inestabilidad en el campo magnético principal (?B0), la señal de deuterio se desvía de su posición. El circuito de lock lo detecta como un incremento de tensión eléctrica (?V) que es amplificada y enviada como una señal de error a unas bobinas capaces de generar un campo magnético adicional que corrige al principal.

Figura 4.m. Señal de dispersión del deuterio en el canal de estabilización (lock), eje de ordenadas V (voltaje), eje de abscisas B0 (campo magnético) [7].

La estabilidad absoluta de la frecuencia del oscilador maestro de los sintetizadores utilizados actualmente es del orden de 10-8 Hz/día, claramente insuficiente para experimentos largos. Sin embrago lo que debe ser estable no es la frecuencia absoluta, sino la diferencia de frecuencias entre las radiofrecuencias de transmisión y de recepción que al ser obtenidas del mismo oscilador varían de la misma forma con el tiempo. Lo mismo ocurre con las estabilidades de las fases.

La existencia de un canal de estabilización y el origen común de todas las radiofrecuencias de un espectrómetro, posibilitan realizar espectros de RMN reproducibles.

Las variaciones muy rápidas del campo magnético externo (arranque de trenes o máquina) no son bien corregidas con los mecanismos disponibles descritos [7].

• Materiales de las sondas

Conductores: En sondas de sólidos se suele emplear cobre de grado electrónico: bobinas estándar de cobre libre de oxígeno de alta conductividad. Suelen tener un contenido en Fe por debajo de 25 ppm.

Normalmente los conductores trabajan a temperatura ambiente, sin embargo también existen sondas, criosondas, donde se reduce la temperatura de las bobinas y de los preamplificadores. Con este tipo de sondas se reduce considerablemente la relacion S/N (señal-ruido) y se puede llegar a obtener un factor de aumento de la sensibilidad de 4.

Aislantes y dispositivos mecánicos: Una de las características de la señal de RMN es su dependencia con la susceptibilidad magnética (la global en el volumen efectivo de medida, ver Ecuación 27).

En donde, S es el voltaje de la señal detectada en una muestra con susceptibilidad magnética X, con un sistema de espín nuclear que precesa un ángulo f en presencia de un campo magnético B0 a una frecuencia de Larmor w, detectado por una bobina que genera un campo magnético transversal polarizado circularmente B1(r), sobre el volumen de muestra V, siendo i la corriente que atraviesa el circuito.

Es por ello que en el diseño de las sondas modernas se pretende usar materiales de susceptibilidad magnética cero, así la señal sólo se deberá a la muestra y no a los componentes de la sonda.

En RMN de sólidos es de extrema importancia la selección de los materiales que constituyen la sonda ya que se alcanzarán velocidades de giro enormes. Los materiales empleados suelen ser cuarzo, Macor (cristal cerámico de Al-B-Si-Mg-F) o materiales cerámicos; todos ellos suelen tener problemas de campaneo acústico por debajo de 50 MHz). La zirconia (ZrO2) parece ser un material que proporciona mejores propiedades. También se pueden emplear termoplásticos, PEK por ejemplo [15].

El Rotor

El rotor es ese pequeño recipiente cilíndrico en donde se deposita la muestra que va a ser analizada por RMN-MAS. Los rotores son hechos principalmente zirconia pura o polímeros especiales que presentan una susceptibilidad magnética muy cercana a cero, para que de alguna manera sean "invisibles" para el equipo y solo se detecten las señales de resonancia de su contenido, es decir, la muestra. Además el material debe ser lo suficientemente resistente para soportar las altas velocidades de giro a las que será sometido el rotor.

La cantidad de muestra que se puede usar va a depender del tamaño del rotor que se use. Existen 3 modelos diferentes de rotores según su capacidad:

• Rotor de Capacidad Normal (thick wall): volumen de muestra activo 11 microlitros. Velocidad rotación máxima 25 kHz.

• Rotor de Gran capacidad (large volume): volumen de muestra activo 22 microlitros. Velocidad rotación máxima 25 kHz.

• Rotor de Pared delgada (thin wall): volumen de muestra activo 36 microlitros. Velocidad de rotación máxima 15 KHz [13].

Figura 4.o. Rotor y tapa para el mismo de zirconia (ZrO2) pura para RMN-MAS [14].

Tabla 4.3. Propiedades de los rotores y sus tapas.

Fuente: Wilmad LabGlass Rotors and Caps for Bruker®, Varian® and Doty® MAS-NMR Zirconia MAS Rotors and Compatible Rotor Caps [14].

TRATAMIENTO DE LA MUESTRA

A diferencia de la espectroscopía de RMN de líquidos, donde la muestra debe ser disuelta en un solvente deuterado compatible con esta. En la RMN de solidos la muestra se maneja generalmente en forma de polvo con partículas de diámetro no mayor a 0,075 mm (malla 200), para garantizar una interacción homogénea entre el analito y el campo magnético. Es posible también usar la muestra con tamaños mayores a 0,075 mm y hasta 0,15 mm (malla 100), pero es muy probable que la calidad del espectro obtenido no sea la deseada.

La purificación de las muestras antes de ser analizadas por espectrocopía de RMN, es indispensable porque con ello se garantiza la mínima interferencia de compuestos indeseables en nuestro análisis y que generan bandas que solapan a los picos de resonancia de nuestro material de interés.

Para el caso específico de las arcillas, la purificación previa a un análisis por RMN-MAS consiste básicamente en una molienda primaria con ayuda de un mortero donde se deja el material pulverizado lo más fino que sea posible.

La arcilla pulverizada se lava con agua destilada y desionizada. En ocasiones se suele dejar la arcilla suspendida y en reposo de 3 a 7 días en agua; al cabo de ese tiempo se separa por decantación la arcilla suspendida en la fase acuosa, de los sólidos insolubles que se han precipitado, para luego ser recuperada por centrifugación [19].

Cuando las arcillas son extraídas de suelos con características bastante alcalinas, es necesario hacer un tratamiento químico de neutralización del material, usando acido fuerte como el H2SO4, mediante un lavado con solución acida por varios minutos a temperatura ambiente. Luego se realizan sucesivos lavados del material con agua para eliminar los sulfatos [21].