Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare: differenze tra le versioni
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{{F|spettroscopia|settembre 2014}}
La '''spettroscopia di risonanza magnetica nucleare''', detta anche '''spettroscopia NMR''' (dall'[[lingua inglese|inglese]] nuclear magnetic resonance), è un metodo [[spettroscopia|spettroscopico]] basato sulle proprietà magnetiche dei nuclei di alcuni [[atomo|atomi]] e [[isotopo|isotopi]].
== Concetti fondamentali ==
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[[File:Nucleo_magneticamente_attivo_in_rotazione.jpeg|thumb|upright=1.4|Rappresentazione della rotazione del nucleo dell'[[idrogeno]]]]
La rotazione dei nuclei atomici su se stessi è capace di procurare un [[momento magnetico]] <math>\mu</math> ad alcuni di essi.
Il più semplice tra gli elementi aventi momento magnetico nucleare, ed il più importante a fini pratici, è l'idrogeno. Si può grossolanamente visualizzare l'unico [[protone]] di cui è composto l'atomo di idrogeno come una palla in rotazione su se stessa e uniformemente carica: le porzioni infinitesime di carica generano un [[campo magnetico]] in funzione della loro distanza dall'asse di rotazione.<ref>In realtà, per motivi [[Meccanica quantistica|quantomeccanici]], il campo generato dal protone in rotazione non corrisponde a questo semplice modello, tuttavia il modello proposto lo approssima con precisione sufficiente per gli scopi di questa trattazione.</ref>
Le proprietà di [[spin]] dei protoni e dei neutroni che compongono gli atomi più pesanti si combinano per definire lo spin totale dei nuclei di elementi più pesanti, da cui il loro eventuale momento magnetico. Solo nuclei con [[numero atomico]] e/o [[massa atomica]] dispari mostrano proprietà magnetiche: si dice che il loro [[numero quantico]] di spin ''I'' è ±1/2.
La direzione del momento magnetico così prodotto è, per un protone nel vuoto, assolutamente casuale: tra un'orientazione e l'altra non v'è differenza.
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detta ''[[frequenza di Larmor]]'', ''frequenza di precessione'' o ancora ''frequenza di risonanza''.
Ad esempio, per un protone immerso in un campo magnetico di 14092 [[gauss]] (1.4092 [[tesla]]), la frequenza di risonanza è di
È difficile che nuclei di diverso tipo rispondano a sollecitazioni in frequenze proprie di un determinato nucleo: le costanti giromagnetiche variano infatti grandemente da elemento ad elemento, comportando regioni di eccitabilità totalmente separate.
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[[File:HWB-NMR - 900MHz - 21.2 Tesla.jpg|thumb|Spettrometro NMR con elettromagnete superconduttore da 21,2 [[Tesla|T]], frequenza di risonanza del protone 900 MHz]]
Lo scopo dell'NMR è sostanzialmente ricavare informazioni sulla frequenza di risonanza dei nuclei attivi. I più usati sono l'idrogeno, il carbonio-13 e l'azoto-15.
Esistono due metodi per ricavare quest'informazione.
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Come detto sopra, la frequenza di risonanza di un nucleo attivo è direttamente proporzionale al campo applicato: mano a mano che il campo aumenta, crescono anche le frequenze di risonanza. Quando le frequenze di risonanza diventano pari a quella incidente (che invece è costante), allora tutti gli atomi capaci di farlo assorbiranno quanti di energia, e l'assorbanza misurata sarà più alta.
Il secondo metodo, usato dagli spettrometri più moderni, consiste nel mantenere costante il campo, incrementando invece la frequenza della radioonda incidente.
Dal punto di vista pratico, il risultato è sempre un grafico con l'assorbanza sull'asse delle y, ed una quantità utile a definire l'energia fornita sull'asse delle x (torneremo sull'unità di misura dell'ascissa in seguito).
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==Lo spostamento chimico (chemical shift) ==
{{vedi anche|Spostamento chimico}}
Fortunatamente, è rarissimo che i nuclei attivi mostrino assorbimento quando dovrebbero. Questo non perché la teoria sia sbagliata, ma perché è stato teorizzato il comportamento di ''un'' protone nel vuoto: un'eventualità abbastanza rara.
Nella realtà i nuclei attivi sono immersi in un '''intorno chimico''': altri atomi, altre molecole, li circondano, con le relative nubi elettroniche, ed anch'esso stesso è circondato dalla sua "nube" di particelle cariche in moto.
Il campo magnetico applicato induce, sull'intorno elettronico di ogni nucleo, un campo magnetico locale opposto (fenomeno di [[induzione]]). La nube elettronica provoca cioè una modulazione locale del campo applicato, detta '''schermatura'''. Il campo ''effettivo'' residuo viene indicato <math>B_{locale} = B_0 (1 - \sigma) </math>.
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Rivisitando la formula della frequenza di Larmor:
<math>\nu=\gamma B_0 (1 - \sigma)/2 \pi </math>
Cioè, a seconda dell'intorno chimico di un certo nucleo, la frequenza di risonanza può risultare più bassa di un fattore <math>1- \sigma</math>, poiché solitamente il campo magnetico indotto è opposto a quello applicato. Osservando la posizione relativa dei picchi di assorbimento, è possibile fare considerazioni sullo schermo elettronico associato ai vari nuclei che li hanno generati.
Lo '''spostamento chimico''' si ricava mettendo in relazione gli schermaggi dei vari nuclei con uno ''standard''. Nell'NMR del C-13 e del protone si usa il ''[[tetrametilsilano]]'' (in gergo, '''TMS''').
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[[File:Tetramethylsilane TMS.jpg|thumb|modello molecolare del tetrametilsilano]]
L'atomo di silicio è il meno elettronegativo dei tre elementi che costituiscono il TMS (Si=1,91; H=2.1; C=2.55), ciò giustifica il fatto che carbonio ed idrogeno siano altamente schermati: si dice che il silicio è ''elettron-donatore''. Inoltre, grazie all'alta simmetria della molecola, tutti gli atomi di carbonio e tutti gli atomi di idrogeno sono schermati nella stessa misura.
Sia <math>\sigma_i</math> lo schermo elettronico associato ad una certa famiglia di protoni: la frequenza di Larmor risulterà
<math>\nu_i = \gamma B_0 (1- \sigma_i)/2 \pi </math>
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<math>\nu_{TMS} = \gamma B_0 (1- \sigma_{TMS})/2 \pi </math>
La distanza tra i due picchi di assorbimento allora è:
<math>\Delta \nu = \nu_i - \nu_{TMS} </math>
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<math>\delta = \Delta \nu / \nu_{TMS} </math>
La formula risponde ad una domanda di questo tipo: ''"di quanto differisce la frequenza di precessione dei protoni sull'anello benzenico, rispetto ai protoni sul TMS?"''. La risposta potrebbe essere ''"di 0,000000727 parti su una"'', oppure ''"dello 0,0000727%"'' o, molto più comodamente, '''"di 7,27 ppm"''' cioè '''parti per milione''' (7,27 milionesimi della frequenza del TMS).
Questa notazione è assai pratica. Prima di tutto, perché evita di dover scriver numeri con troppe cifre (le frequenza di risonanza possono, e devono, essere determinate con grande precisione, visto che le sfumature da cogliere per distinguere le varie modulazioni locali sono finissime). Poi, perché stabilisce uno standard valido in tutto il mondo: l'unica informazione utile per confrontare i dati ottenuti da due macchine è lo spostamento chimico rispetto al TMS.
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== Collegamenti esterni ==
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{{spettroscopia}}
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