Nuclear Magnetic Resonance NMR Nuclear Magnetic Resonance

I nuclei dell’idrogeno sono protoni. I protoni hanno carica positiva e sono dotati di spin (ruotano). Lo spin è una proprietà fondamentale delle particelle, analogamente a massa e carica. La carica del protone in movimento genera un campo magnetico. Il protone si comporta come un piccolo magnete

Inseriamo un corpo contente atomi di idrogeno tra le espansioni di un magnete. I protoni si allineano con il campo magnetico esterno e verso parallelo o antiparallelo. Lo stato a più basso contenuto energetico (verso parallelo) è preferito.

I protoni sono dotati di un movimento di precessione lungo le linee del campo magnetico, analogamente a una trottola che precede lungo le linee del campo gravitazionale terrestre La frequenza di precessione è direttamente proporzionale all’intensità del campo magnetico esterno, secondo l’equazione di Larmor. (w0 è la frequenza in Hz, B0 l’intensità del campo magnetico in Tesla, g il rapporto giromagnetico)

Introduciamo ora un sistema di coordinate cartesiano, con asse z parallelo alle linee del campo esterno e rappresentiamo i protoni come vettori forza magnetica

I protoni diretti verso il basso annullano gli effetti magnetici di altrettanti protoni diretti verso l’alto. Ma vi sono più protoni diretti verso l’alto (a causa del minor contenuto energetico) e quindi ne rimarranno alcuni la cui componente si sommerà al campo magnetico esterno.

Mentre le componenti dei vettori forza magnetica sul piano xy si annullano, le componenti sull’asse z si sommano. Quindi quando inseriamo un corpo contenente atomi di idrogeno tra le espansioni di un forte magnete, esso produce un suo campo magnetico, longitudinale rispetto a quello esterno.

Voler misurare la magnetizzazione longitudinale è come pretendere di misurare il flusso d’acqua versato nel fiume dalla pompa, stando a terra.

La misura diventerà possibile se riusciremo a far dirigere il flusso verso la riva,

Un impulso RF che ha la frequenza di Larmor provoca la risonanza trasferendo energia ai protoni. Alcuni protoni assumono l’orientamento antiparallelo, annullando altrettanti protoni orientati nella direzione opposta. Di conseguenza la magnetizzazione longitudinale diminuisce.

L’impulso RF spinge inoltre i protoni a precedere in sicronia di fase. Questo porta ad un nuovo vettore magnetico, la magnetizzazione trasversale

Riassumendo: l’impulso RF causa una diminuzione della magnetizzazione longitudinale e instaura una nuova magnetizzazione trasversale.

Il neoformato vettore di magnetizzazione trasversale si muove in fase con i protoni che precedono e induce una corrente elettrica in un’antenna: è questo il segnale di risonanza magnetica.

Quando l’impulso RF è interrotto, la magnetizzazione longitudinale aumenta di nuovo poiché l’energia assorbita dai protoni viene ceduta all’ambiente circostante sotto forma di energia termica ed essi tornano allo stato originario (rilassamento longitudinale o spin-lattice).

Il tempo necessario alla magnetizzazione longitudinale per tornare allo stato originario è determinato dal T1 “tempo di rilassamento longitudinale”

Quando l’impulso RF è interrotto, la magnetizzazione trasversale tende a scomparire a causa dell’influenza dei piccoli campi magnetici dei nuclei vicini e delle inomogeneità del campo esterno (rilassamento trasversale o spin-spin).

Il tempo necessario alla magnetizzazione trasversale per scomparire è determinato dal T2 “tempo di rilassamento trasversale”. Il rilassamento longitudinale e quello trasversale avvengono contempora-neamente, ma sono processi differenti e indipendenti.

Se mandiamo un impulso di RF con energia e durata tali da far scomparire la magnetizzazione longitudinale, l’effetto che otteniamo può essere paragonato a una rotazione di 90° del vettore magnetico longitudinale. Un impulso di questo tipo è chiamato “impulso a 90°”

Un impulso a 90° annulla la magnetizzazione longitudinale e mette in fase i protoni, creando la magnetizzazione trasversale. Quando l’impulso è interrotto si recupera la magnetizzazione longitudinale e la magnetizzazione trasversale decade.

Questa figura riporta lo stesso esperimento della precedente, evidenziando il vettore somma (magnetizzazione longitudinale + trasversale), che rappresenta il momento magnetico totale del campione in esame. Poiché tutto il sistema è in precessione, il vettore somma descriverà un movimento spiraliforme.

Il vettore somma induce una corrente elettrica in un’antenna, il segnale NMR, che ha frequenza costante e scompare nel tempo, e viene chiamato FID (free induction decay).

Usando un tempo di ripetizione (TR) lungo i due tessuti non si differenziano. Usando un TR corto il tessuto con T1 lungo non recupera tutta la magn. lon- gitudinale e dopo il secondo impulso darà un segnale più debole.

L’encefalo ha un T1 più breve del liquido cerebrospinale; con un TR breve le intensità dei segnali dei due tessuti differiscono maggiormente. (Immagine T1 pesata) La differenza nell’intensità dei segnali a TR molto lungo dipende solo dalla diversa densità protonica dei due tessuti. (Immagine pesata in densità protonica = densità di spin).

Dopo che l’impulso RF è cessato i protoni perdono la coerenza di fase. Un impulso a 180°, invertendo la direzione di precessione, li riporta in fase ed il segnale si rinforza (spin eco)

Ripetendo impulsi a 180° a intervalli di tempo TE, è possibile ottenere più di uno spin eco. La loro intensità tende a diminuire a causa degli effetti T2.

Il tessuto A ha un T2 più breve del tessuto B; con un TE lungo le intensità dei segnali dei due tessuti differiscono maggiormente. (Immagine T2 pesata).

Sequenza spin eco TR è il tempo tra due sequenze di impulsi. TE è il tempo tra l’impulso a 90° e l’eco. Il TR è responsabile della pesatura in T1, TE della pesatura in T2.

Se inseriamo il paziente in un gradiente di campo, i protoni risuoneranno a frequenze diverse e quindi selezionando una certa frequenza di impulso RF noi determiniamo la localizzazione della sezione in esame. Lo spessore della sezione è determinato dall’ampiezza di banda dell’impulso.

Per determinare il punto da cui proviene il segnale inseriamo un gradiente di codificazione della frequenza e un gradiente di codificazione di fase

Achieva 3T MR Scanner

Strumenti a magnete permanente (60 MHz) ed elettromagnete (90 MHz)

Strumento a criomagnete (400 MHz)

Varian V 900

1946: Bloch su un campione d’acqua e Purcell su un blocco di paraffina ottengono i primi segnali NMR. I primi esperimenti hanno lo scopo di determinare g e vengono condotti mantenendo costante Bo e variando lentamente la RF (o viceversa) (spettroscopia in onda continua)

1949-50: Su 19F e 31P si osserva il chemical shift, dovuto all’effetto schermante degli elettroni. Il campo magnetico attorno al nucleo non è uguale al campo magnetico esterno, a causa degli elettroni attorno al nucleo generano un campo magnetico che si somma al campo magnetico esterno. L’effetto è proporzionale alla densità elettronica attorno al nucleo osservato, che dipende dal suo intorno chimico. Per es. la vicinanza di gruppi elettronegativi fa diminuire la densità elettronica attorno ai protoni, che risuoneranno a campi più bassi.

1951 Arnold dimostra il chemical shift del protone nell’etanolo: Il chemical shift si misura in parti per milione del campo applicato. Un tipico spettro del protone va da 0 a 10 ppm, il che significa che lavorando a 60 MHz l’intero spettro coprirà un campo di 600 Hz.

Ulteriori miglioramenti nella risoluzione rivelarono che in molti casi le risonanze già separate dal chemical shift potevano essere costituite da raccolte di linee di risonanza separate.

Lo spettro 1H NMR dell’etanolo mostra che il picco del metile è stato diviso in tre picchi (un tripletto) e il picco del metilene in quattro (quadrupletto). La causa di ciò è l’interazione (accoppiamento) tra i due gruppi di protoni. La distanza tra i picchi del tripletto è uguale a quella tra i picchi del quadrupletto, si misura in Herz e si chiama costante di accoppiamento (J).

Per capire perchè il picco del metile (CH3) è un tripletto, guardiamo i protoni del vicino metilene (CH2): sono 2 e ciascuno può avere due possibili orientazioni (allineato o opposto al campo esterno), per un totale di 4 possibili stati. Nel primo, gli spin sono opposti al campo. Ciò ha l’effetto di ridurre il campo sperimentato dai protoni del vicino metile; perciò occorre un campo leggermente più alto per farli risuonare. Le due combinazioni di spin opposti non hanno effetto sul picco del metile. Gli spin accoppiati in direzione parallela al campo producono uno spostamento a campi più bassi. In conclusione il segnale del metile viene diviso in tre picchi con aree in rapporto 1:2:1.

L’effetto del metile sul metilene porta a un quadrupletto con intensità relative 1 : 3 : 3 : 1.

Oltre al chemical shift e alle costanti di accoppiamento un terzo parametro importante per interpretare gli spettri NMR è l’intensità dei segnali, che è direttamente proporzionale al numero di nuclei risonanti.

Riassumendo, per l’interpretazione degli spettri NMR il chimico utilizza principalmente 3 parametri: - il chemical shift, che dà informazioni sull’intorno chimico del nucleo risonante - le costanti di accoppiamento, che permettono di mettere in relazione segnali diversi ed agevolano la ricostruzione della struttura molecolare - l’intensità dei segnali, che è proporzionale al numero di nuclei che li originano e permette di effettuare misure quantitative senza uso di standard

1,1 dicloroetano 1,2 dicloroetano

1,3 dicloropropano

Altri nuclei oltre al protone sono dotati di spin. Il diagramma riporta la frequenza di risonanza di alcuni di loro in un campo magnetico Bo di 2,35 Tesla. Il nucleo più interessante per il chimico organico è 13C. Sfortunatamente l’abbondanza isotopica del 13C è solo dell’1,1%, la sua sensibilità è circa 50 volte inferiore a quella del protone ed il rapporto giromagnetico è ¼ di quello del protone. Intervallo di chemical shift: 0-200 ppm.

Spettro 13C dell’etanolo Spettro 1H Spettro 13C dell’etanolo

Spettro 13C dell’etanolo disaccoppiato dal protone

Spettro 1H dell’etanolo - Satelliti del 13C