Hoje, mais e mais pacientes são encaminhados não para radiografia ou ultra-som, mas para ressonância magnética nuclear. Este método de pesquisa é baseado no magnetismo do núcleo. Vamos considerar o que é a tomografia por RMN, quais são suas vantagens e em quais casos ela é realizada.

O que é este estudo?

Este método diagnóstico é baseado na ressonância magnética nuclear. Em um campo magnético externo, o núcleo de um átomo de hidrogênio, ou próton, está em dois estados mutuamente opostos. Você pode mudar a direção do momento magnético do núcleo agindo sobre ele com raios eletromagnéticos com uma certa frequência.

Colocar um próton em um campo magnético externo causa uma mudança em seu momento magnético com um retorno à sua posição original. Isso libera uma certa quantidade de energia. A tomografia por ressonância magnética capta a mudança na quantidade de tal energia.

O tomógrafo usa campos magnéticos muito fortes. Os eletroímãs geralmente são capazes de desenvolver um campo magnético com força de 3, às vezes até 9 T. É completamente inofensivo para os seres humanos. O sistema de tomografia permite localizar a direção do campo magnético para obter imagens da mais alta qualidade.

Tomógrafo magnético nuclear

O método diagnóstico baseia-se na fixação da resposta eletromagnética do núcleo de um átomo (próton), que ocorre devido à sua excitação por ondas eletromagnéticas em um campo magnético de alta tensão. A ressonância magnética foi discutida pela primeira vez em 1973. Então o cientista americano P. Laterbur propôs estudar o objeto em um campo magnético variável. Os trabalhos deste cientista serviram como o início de uma nova era na medicina.

Com a ajuda de um tomógrafo de ressonância magnética, tornou-se possível estudar os tecidos e cavidades do corpo humano devido ao grau de saturação dos tecidos com hidrogênio. Agentes de contraste para ressonância magnética são frequentemente usados. Na maioria das vezes, são preparações de gadolínio, capazes de alterar a resposta dos prótons.
O termo "RM nuclear" existiu até 1986.

Em conexão com a radiofobia entre a população em conexão com o desastre na usina nuclear de Chernobyl, decidiu-se remover a palavra "nuclear" do nome do novo método de diagnóstico. No entanto, isso permitiu que a ressonância magnética entrasse rapidamente na prática de diagnóstico de muitas doenças. Hoje, este método é a chave para identificar muitas doenças mais recentemente difíceis de diagnosticar.

Como é feito o diagnóstico?

Uma ressonância magnética usa um campo magnético muito forte. E embora não seja perigoso para os seres humanos, o médico e o paciente precisam seguir certas regras.

Antes de tudo, antes do procedimento diagnóstico, o paciente preenche um questionário especial. Nele, ele indica o estado de saúde, bem como declarações sobre si mesmo. O exame é feito em uma sala especialmente preparada com cabine para troca de roupas e pertences pessoais.

Para não se ferir, e também para garantir a exatidão dos resultados, o paciente deve retirar todas as coisas que contenham metal, deixar celulares, cartões de crédito, relógios, etc. no armário para pertences pessoais. É desejável que as mulheres lavem os cosméticos decorativos da pele.
Em seguida, o paciente é colocado dentro do tubo tomográfico. Na direção do médico, a área de exame é determinada. Cada zona é examinada por dez a vinte minutos. Durante este tempo, o paciente deve permanecer imóvel. A qualidade das fotos vai depender disso. O médico pode fixar a posição do paciente, se necessário.

Durante a operação do dispositivo, sons uniformes são ouvidos. Isso é normal e indica que o estudo está progredindo corretamente. Para obter resultados mais precisos, um agente de contraste pode ser administrado por via intravenosa ao paciente. Em alguns casos, com a introdução de tal substância, uma onda de calor é sentida. Isso é completamente normal.

Aproximadamente meia hora após o estudo, o médico pode receber o protocolo do estudo (conclusão). Um disco com os resultados também é emitido.

Benefícios da ressonância magnética nuclear

Os benefícios de tal pesquisa incluem o seguinte.

1. A capacidade de obter imagens de alta qualidade dos tecidos do corpo em três projeções. Isso melhora muito a visualização de tecidos e órgãos. Nesse caso, a ressonância magnética é muito melhor do que a tomografia computadorizada, a radiografia e o diagnóstico por ultrassom.
2. Imagens 3D de alta qualidade fornecem um diagnóstico preciso, o que melhora o tratamento e aumenta a probabilidade de recuperação.
3. Como é possível obter uma imagem de alta qualidade em uma ressonância magnética, esse estudo é o melhor para detectar tumores, distúrbios do sistema nervoso central e condições patológicas do sistema musculoesquelético. Assim, torna-se possível diagnosticar aquelas doenças que até recentemente eram difíceis ou impossíveis de detectar.
4. Dispositivos modernos para tomografia permitem obter imagens de alta qualidade sem alterar a posição do paciente. E para a codificação das informações, são utilizados os mesmos métodos da tomografia computadorizada. Isso facilita o diagnóstico, pois o médico vê imagens tridimensionais de órgãos inteiros. Além disso, o médico pode obter imagens de um determinado órgão em camadas.
5. Tal exame determina bem as primeiras alterações patológicas nos órgãos. Assim, é possível detectar a doença em um estágio em que o paciente ainda não sente sintomas.
6. Durante esse estudo, o paciente não é exposto à radiação ionizante. Isso expande significativamente o escopo da ressonância magnética.
7. O procedimento de ressonância magnética é completamente indolor e não causa nenhum desconforto ao paciente.

Indicações para ressonância magnética

Existem muitas indicações para a ressonância magnética.

• Distúrbios da circulação cerebral.
• Suspeitas de uma neoplasia do cérebro, danos às suas membranas.
• Avaliação do estado dos órgãos após a cirurgia.
• Diagnóstico de fenômenos inflamatórios.
• Convulsões, epilepsia.
• Traumatismo crâniano.
• Avaliação do estado dos navios.
• Avaliação da condição dos ossos e articulações.
• Diagnóstico dos tecidos moles do corpo.
• Doenças da coluna (incluindo osteocondrose, espondiloartrose).
• Lesão vertebral.
• Avaliação do estado da medula espinhal, incluindo suspeita de processos malignos.
• Osteoporose.
• Avaliação do estado dos órgãos peritoneais, bem como do espaço retroperitoneal. A ressonância magnética é indicada para icterícia, hepatite crônica, colecistite, colelitíase, lesão hepática semelhante a tumor, pancreatite, doenças do estômago, intestinos, baço, rins.
• Diagnóstico de cistos.
• Diagnóstico do estado das glândulas supra-renais.
• Doenças dos órgãos pélvicos.
• Patologias Urológicas.
• Doenças ginecológicas.
• Doenças dos órgãos da cavidade torácica.

Além disso, a ressonância magnética de todo o corpo é indicada se houver suspeita de neoplasia. A ressonância magnética pode ser usada para procurar metástases se um tumor primário for diagnosticado.

Esta não é uma lista completa de indicações para ressonância magnética. É seguro dizer que não existe tal organismo e doença que não possa ser detectado usando este método de diagnóstico. Como as possibilidades da medicina estão crescendo, os médicos têm possibilidades praticamente ilimitadas para diagnosticar e tratar muitas doenças perigosas.

Quando a ressonância magnética é contraindicada?

Há uma série de contra-indicações absolutas e relativas para a RM. As contra-indicações absolutas incluem:

1. Presença de marcapasso. Isso se deve ao fato de que as flutuações no campo magnético são capazes de se adaptar ao ritmo do coração e, portanto, podem ser fatais.
2. A presença de implantes ferromagnéticos ou eletrônicos instalados na orelha média.
3. Grandes implantes metálicos.
4. A presença de fragmentos ferromagnéticos no corpo.
5. Disponibilidade do aparelho Ilizarov.

As contra-indicações relativas (quando a pesquisa é possível sob certas condições) incluem:

Ao realizar RM com contraste, as contraindicações são anemia, insuficiência renal crônica descompensada, gravidez, intolerância individual.

Conclusão

A importância da ressonância magnética para o diagnóstico não pode ser superestimada. É uma maneira perfeita, não invasiva, indolor e inofensiva de detectar muitas doenças. Com a introdução da ressonância magnética, o tratamento dos pacientes também melhorou, como o médico sabe diagnóstico preciso e características de todos os processos que ocorrem no corpo do paciente.

Não há necessidade de ter medo de uma ressonância magnética. O paciente não sente nenhuma dor durante o procedimento. Não tem nada a ver com radiação nuclear ou de raios-x. Também é impossível recusar tal procedimento.

Ressonância magnética nuclear

VK. Corvos

Universidade Técnica Estadual de Irkutsk

INTRODUÇÃO

Até recentemente, nossas ideias sobre a estrutura de átomos e moléculas eram baseadas em estudos usando métodos de espectroscopia óptica. Em conexão com a melhoria dos métodos espectrais, que avançaram o campo das medições espectroscópicas na faixa de ultra-alta (aproximadamente 10^ 3 - 10^ 6 MHz; ondas de microrádio) e altas frequências (aproximadamente 10^ (-2) - 10^ 2 MHz; ondas de rádio), novas fontes de informação sobre a estrutura da matéria. Durante a absorção e emissão de radiação nesta faixa de frequência, ocorre o mesmo processo básico que em outras faixas do espectro eletromagnético, ou seja, ao passar de um nível de energia para outro, o sistema absorve ou emite um quantum de energia.

A diferença de energia entre os níveis e a energia dos quanta que participam desses processos é de cerca de 10^(-7) eV para a região de radiofrequência e cerca de 10^(-4) eV para frequências de micro-ondas. Em dois tipos de espectroscopia de rádio, a saber, ressonância magnética nuclear (RMN) e espectroscopia de ressonância quadrupolar nuclear (NQR), a diferença nos níveis de energia está associada a diferentes orientações, respectivamente, dos momentos de dipolo magnético dos núcleos em um campo magnético aplicado e momentos de quadrupolo elétrico de núcleos em campos elétricos moleculares, se estes não forem esfericamente simétricos.

A existência de momentos nucleares foi descoberta pela primeira vez ao estudar a estrutura hiperfina dos espectros eletrônicos de alguns átomos usando espectrômetros ópticos de alta resolução.

Sob a influência de um campo magnético externo, os momentos magnéticos dos núcleos são orientados de uma certa maneira, e torna-se possível observar transições entre os níveis de energia nuclear associados a essas diferentes orientações: transições que ocorrem sob a ação da radiação de um determinado frequência. A quantização dos níveis de energia do núcleo é uma consequência direta da natureza quântica do momento angular do núcleo recebendo 2 EU+ 1 valores. O número quântico do spin (spin) posso assumir qualquer valor que seja múltiplo de 1/2; o maior valor conhecido EU(> 7) possui Lu. O maior valor mensurável do momento angular (o maior valor da projeção do momento na direção selecionada) é igual a eu ћ , Onde ћ = h/2 π , uma hé a constante de Planck.

Valores EUé impossível prever para núcleos específicos, mas observou-se que isótopos em que tanto o número de massa quanto o número atômico são EU= 0, e isótopos com números de massa ímpares têm spins meio inteiros. Tal situação, quando os números de prótons e nêutrons no núcleo são pares e iguais ( EU= 0) pode ser considerado como um estado com “emparelhamento completo”, semelhante ao emparelhamento completo de elétrons em uma molécula diamagnética.

No final de 1945, dois grupos de físicos americanos liderados por F. Bloch (Universidade de Stanford) e E.M. Purcell (Universidade de Harvard) foram os primeiros a receber sinais de ressonância magnética nuclear. Bloch observou a absorção ressonante de prótons em água, e Purcell foi bem sucedido em descobrir a ressonância nuclear de prótons em parafina. Por esta descoberta, eles receberam o Prêmio Nobel em 1952.

A essência do fenômeno NMR e suas características distintivas são descritas abaixo.

ESPECTROSCOPIA NMR DE ALTA RESOLUÇÃO

A essência do fenômeno NMR

A essência do fenômeno de RMN pode ser ilustrada como segue. Se um núcleo com momento magnético é colocado em um campo uniforme H 0 , direcionado ao longo do eixo z, então sua energia (em relação à energia na ausência de um campo) é igual a μ z H 0, Onde μ z, é a projeção do momento magnético nuclear na direção do campo.

Como já observado, o núcleo pode estar localizado em 2 EU+ 1 estados. Na ausência de um campo externo H 0 todos esses estados têm a mesma energia. Se denotarmos o maior valor mensurável da componente do momento magnético através de μ , então todos os valores mensuráveis ​​do componente do momento magnético (neste caso μ z,) são expressos como m, Onde mé o número quântico, que, como se sabe, pode assumir os valores

m= EU, EU- 1,EU- 2...-(EU- 1),-EU.

Uma vez que a distância entre os níveis de energia correspondentes a cada um dos 2 EU+ 1 estados, igual m H 0 /EU, então o núcleo com spin EU tem níveis de energia discretos

- μ H0,-(I-1)µ z H 0 /Eu,..., (I-1)µ z H 0 /eu, um H0.

A divisão de níveis de energia em um campo magnético pode ser chamada de divisão nuclear de Zeeman, pois é semelhante à divisão de níveis eletrônicos em um campo magnético (o efeito Zeeman). A divisão de Zeeman é ilustrada na fig. 1 para sistema com EU= 1 (com três níveis de energia).

Arroz. 1. Divisão Zeeman de níveis de energia nuclear em um campo magnético.

O fenômeno de RMN consiste na absorção ressonante de energia eletromagnética devido ao magnetismo dos núcleos. Isso implica o nome óbvio do fenômeno: nuclear - estamos falando de um sistema de núcleos, magnético - queremos dizer apenas suas propriedades magnéticas, ressonância - o fenômeno em si é de natureza ressonante. De fato, segue-se das regras de frequência de Bohr que a frequência ν do campo eletromagnético que causa transições entre níveis adjacentes é determinada pela fórmula

, (1)

Como os vetores de momento (momento angular) e momento magnético são paralelos, muitas vezes é conveniente caracterizar as propriedades magnéticas dos núcleos pelo valor γ definido pela relação

, (2)

Onde γ é a razão giromagnética tendo a dimensão radiano * oersted^(- 1) * segundo^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) ou radiano/(oersted * segundo) (rad / (E * s)). Com isso em mente, encontramos

, (3)

Assim, a frequência é proporcional ao campo aplicado.

Se, como exemplo típico, tomarmos o valor de γ para um próton, igual a 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s), e H 0 \u003d 10.000 Oe, então a frequência de ressonância

Tal frequência pode ser gerada por técnicas de rádio convencionais.

A espectroscopia de RMN é caracterizada por uma série de características que a distinguem de outros métodos analíticos. Cerca de metade (~150) dos núcleos de isótopos conhecidos têm momentos magnéticos, mas apenas uma minoria deles é usada sistematicamente.

Antes do advento dos espectrômetros pulsados, a maioria dos estudos eram realizados usando o fenômeno de RMN em núcleos de hidrogênio (prótons) 1 H (ressonância magnética de prótons - PMR) e flúor 19 F. Esses núcleos têm propriedades ideais para espectroscopia de RMN:

A alta abundância natural do isótopo “magnético” ( 1S 99,98%, 19 F 100%); para comparação, pode-se mencionar que a abundância natural do isótopo “magnético” do carbono 13C é 1,1%;

Grande momento magnético;

Rodar EU = 1/2.

Isso é o principal responsável pela alta sensibilidade do método na detecção de sinais dos núcleos acima. Além disso, existe uma regra estritamente justificada teoricamente segundo a qual apenas núcleos com spin igual ou maior que a unidade possuem momento de quadrupolo elétrico. Assim, experimentos de RMN 1H e 19 F não são complicados pela interação do momento de quadrupolo nuclear do núcleo com o ambiente elétrico. Um grande número de trabalhos tem sido dedicado à ressonância em outros (além 1H e 19 F) grãos como 13C, 31P, 11B, 17 O na fase líquida (o mesmo que nos núcleos 1 1H e 19F).

A introdução de espectrômetros de RMN pulsada na prática cotidiana ampliou significativamente as possibilidades experimentais desse tipo de espectroscopia. Em particular, a gravação de espectros de RMN 13 Soluções C - o isótopo mais importante para a química - é agora um procedimento familiar. A detecção de sinais de núcleos, cuja intensidade de sinais de NMR é muitas vezes menor que a intensidade de sinais de 1 H, inclusive na fase sólida.

Os espectros de RMN de alta resolução geralmente consistem em linhas estreitas e bem resolvidas (sinais) correspondentes a núcleos magnéticos em vários ambientes químicos. As intensidades (áreas) dos sinais durante a gravação dos espectros são proporcionais ao número de núcleos magnéticos em cada grupo, o que permite realizar uma análise quantitativa utilizando espectros de RMN sem calibração prévia.

Outra característica da RMN é a influência dos processos de troca, nos quais os núcleos ressonantes participam, na posição e largura dos sinais ressonantes. Assim, os espectros de RMN podem ser usados ​​para estudar a natureza de tais processos. As linhas de NMR em espectros líquidos normalmente têm uma largura de 0,1 - 1 Hz (NMR de alta resolução), enquanto os mesmos núcleos examinados na fase sólida causarão o aparecimento de linhas com largura da ordem de 1 * 10^ 4 Hz ( daí o conceito de linhas gerais de RMN).

Na espectroscopia de RMN de alta resolução, existem duas fontes principais de informação sobre a estrutura e dinâmica das moléculas:

Mudança química;

Constantes de interação spin-spin.

mudança química

Em condições reais, os núcleos ressonantes, cujos sinais de RMN são detectados, são parte integrante de átomos ou moléculas. Quando as substâncias de teste são colocadas em um campo magnético ( H 0 ) há um momento diamagnético dos átomos (moléculas), devido ao movimento orbital dos elétrons. Esse movimento de elétrons forma correntes efetivas e, portanto, cria um campo magnético secundário proporcional, de acordo com a lei de Lenz, ao campo H 0 e direção oposta. Este campo secundário atua sobre o núcleo. Assim, o campo local no local onde está localizado o núcleo ressonante,

, (4)

Onde σ é uma constante adimensional, chamada de constante de triagem e independente de H 0 , mas fortemente dependente do ambiente químico (eletrônico); caracteriza a diminuição Hlok comparado com H 0 .

Valor σ varia de um valor da ordem de 10^(- 5) para um próton a valores da ordem de 10^(- 2) para núcleos pesados. Levando em conta a expressão para Hlok temos

, (5)

Efeito de triagemé reduzir a distância entre os níveis de energia magnética nuclear ou, em outras palavras, levar à convergência dos níveis de Zeeman (Fig. 2). Neste caso, os quanta de energia que causam transições entre os níveis tornam-se menores e, consequentemente, a ressonância ocorre em frequências mais baixas (ver expressão (5)). Se conduzirmos um experimento alterando o campo H 0 até que ocorra a ressonância, a intensidade do campo aplicado deve ser grande em comparação com o caso em que o núcleo não é blindado.

Arroz. Fig. 2. Efeito do rastreamento de elétrons nos níveis de Zeeman do núcleo: (a) não rastreado, (b) rastreado.

Na grande maioria dos espectrômetros de RMN, os espectros são registrados quando o campo muda da esquerda para a direita, de modo que os sinais (picos) dos núcleos mais blindados devem estar na parte direita do espectro.

O deslocamento do sinal dependendo do ambiente químico, devido à diferença nas constantes de triagem, é chamado de deslocamento químico.

Pela primeira vez, mensagens sobre a descoberta de um deslocamento químico apareceram em várias publicações em 1950-1951. Entre eles, é necessário destacar o trabalho de Arnold et al.(1951), que obtiveram o primeiro espectro com linhas separadas correspondendo a posições quimicamente diferentes de núcleos idênticos. 1 H em uma molécula. Estamos falando de álcool etílico CH 3 CH 2 OH, espectro de NMR típico 1 H do qual em baixa resolução é mostrado na fig. 3.

Arroz. 3. Espectro de ressonância de prótons de baixa resolução de álcool etílico líquido.

Existem três tipos de prótons nesta molécula: três prótons do grupo metil CH 3 –, dois prótons do grupo metileno –CH 2 – e um próton do grupo hidroxila –OH. Pode-se ver que três sinais separados correspondem a três tipos de prótons. Como a intensidade dos sinais está na proporção de 3:2:1, a decodificação do espectro (atribuição do sinal) não é difícil.

Como os deslocamentos químicos não podem ser medidos em escala absoluta, ou seja, em relação a um núcleo desprovido de todos os seus elétrons, o sinal de um composto de referência é usado como um zero condicional. Normalmente, os valores de deslocamento químico para qualquer núcleo são dados como um parâmetro adimensional 8 definido da seguinte forma:

, (6)

Onde H- Chapéué a diferença em deslocamentos químicos para a amostra de teste e o padrão, Chapéué a posição absoluta do sinal de referência com o campo aplicado H 0 .

Em condições experimentais reais, é possível medir a frequência com mais precisão do que o campo, então δ geralmente é encontrado a partir da expressão

, (7)

Onde ν - ν andaré a diferença entre os deslocamentos químicos da amostra e do padrão, expresso em unidades de frequência (Hz); Os espectros de RMN são normalmente calibrados nestas unidades.

A rigor, deve-se usar ν 0 é a frequência de operação do espectrômetro (geralmente é fixa), e a frequência ν andar, ou seja, a frequência absoluta na qual o sinal ressonante da referência é observado. No entanto, o erro introduzido por tal substituição é muito pequeno, uma vez que ν 0 e ν andar quase igual (a diferença é de 10 ^ (-5), ou seja, pela quantidade σ para um próton). Como diferentes espectrômetros de RMN operam em diferentes frequências ν 0 (e, consequentemente, para diferentes campos H 0 ), é óbvio que a expressão δ em unidades adimensionais.

A unidade de deslocamento químico é um milionésimo da intensidade do campo ou frequência ressonante (ppm). Na literatura estrangeira, essa redução corresponde a ppm (partes por milhão). Para a maioria dos núcleos que compõem os compostos diamagnéticos, a faixa de deslocamentos químicos de seus sinais é de centenas e milhares de ppm, chegando a 20.000 ppm. no caso de RMN 59 Co (cobalto). Nos espectros 1 Os sinais de prótons H da grande maioria dos compostos estão na faixa de 0 a 10 ppm.

Interação girar-girar

Em 1951-1953, ao registrar os espectros de RMN de vários líquidos, descobriu-se que há mais linhas nos espectros de algumas substâncias do que se segue de uma simples estimativa do número de núcleos não equivalentes. Um dos primeiros exemplos é a ressonância do flúor na molécula POCl 2 F. Espectro 19 F consiste em duas linhas de igual intensidade, embora haja apenas um átomo de flúor na molécula (Fig. 4). Moléculas de outros compostos deram sinais multipletos simétricos (tríplices, quartetos, etc.).

Outro fator importante encontrado em tais espectros foi que a distância entre as linhas, medida na escala de frequência, independe do campo aplicado. H 0 , em vez de ser proporcional a ela, como deveria ser se a multiplicidade surgir de uma diferença nas constantes de triagem.

Arroz. 4. Dupleto no espectro de ressonância em núcleos de flúor na molécula POCl 2º andar

Ramsey e Purcell em 1952 foram os primeiros a explicar essa interação mostrando que ela se deve a um mecanismo de acoplamento indireto através do ambiente eletrônico. O spin nuclear tende a orientar os spins dos elétrons ao redor do núcleo dado. Esses, por sua vez, orientam os spins de outros elétrons e através deles - os spins de outros núcleos. A energia de interação spin-spin é geralmente expressa em hertz (ou seja, a constante de Planck é tomada como uma unidade de energia, com base no fato de que E=h ν ). É claro que não há necessidade (ao contrário do deslocamento químico) de expressá-lo em unidades relativas, uma vez que a interação discutida, como observado acima, não depende da força do campo externo. A magnitude da interação pode ser determinada medindo a distância entre os componentes do multipleto correspondente.

O exemplo mais simples de divisão devido ao acoplamento spin-spin que pode ser encontrado é o espectro de ressonância de uma molécula contendo dois tipos de núcleos magnéticos A e X. Os núcleos A e X podem ser núcleos diferentes ou núcleos do mesmo isótopo (por exemplo, exemplo, 1 H) quando os deslocamentos químicos entre seus sinais ressonantes são grandes.

Arroz. 5. Vista do espectro de RMN de um sistema constituído pelos núcleos magnéticos A e X com spin Eu = 1/2 quando a condição for satisfeita δ AX > J AX .

Na fig. 5 mostra como é o espectro de RMN se ambos os núcleos, ou seja, A e X, tiverem spin 1/2. A distância entre os componentes em cada dupleto é chamada de constante de acoplamento spin-spin e geralmente é denotada como J (Hz); neste caso é a constante J AH.

A ocorrência de dupletos se deve ao fato de que cada núcleo divide as linhas de ressonância do núcleo vizinho em 2I+1 componente. As diferenças de energia entre os diferentes estados de spin são tão pequenas que, em equilíbrio térmico, as probabilidades desses estados, de acordo com a distribuição de Boltzmann, são quase iguais. Consequentemente, as intensidades de todas as linhas do multipleto resultantes da interação com um núcleo serão iguais. No caso em que há n núcleos equivalentes (ou seja, igualmente blindados, de modo que seus sinais tenham o mesmo deslocamento químico), o sinal ressonante do núcleo vizinho é dividido em 2nI + 1 linhas.

CONCLUSÃO

Logo após a descoberta do fenômeno da RMN na matéria condensada, ficou claro que a RMN seria a base de um poderoso método para estudar a estrutura da matéria e suas propriedades. De fato, ao estudarmos espectros de RMN, usamos como sistema ressonante núcleos extremamente sensíveis ao ambiente magnético. Campos magnéticos locais próximos ao núcleo ressonante dependem de efeitos intra e intermoleculares, o que determina o valor desse tipo de espectroscopia para estudar a estrutura e o comportamento de sistemas de muitos elétrons (moleculares).

Atualmente, é difícil apontar para um campo das ciências naturais em que a RMN não seja usada até certo ponto. Os métodos de espectroscopia de RMN são amplamente utilizados em química, física molecular, biologia, agronomia, medicina, no estudo de formações naturais (mica, âmbar, pedras semipreciosas, minerais combustíveis e outras matérias-primas minerais), ou seja, em tais áreas científicas em que a estrutura da matéria é estudada, sua estrutura molecular, a natureza das ligações químicas, interações intermoleculares e várias formas de movimento interno.

Os métodos de RMN estão sendo cada vez mais utilizados para estudar processos tecnológicos em laboratórios de fábricas, bem como para controlar e regular o curso desses processos em diversas comunicações tecnológicas diretamente na produção. Pesquisas nos últimos cinquenta anos mostraram que os métodos de ressonância magnética podem detectar distúrbios no curso de processos biológicos no estágio inicial. Instalações para o estudo de todo o corpo humano por métodos de ressonância magnética (métodos de tomografia por RMN) foram desenvolvidas e estão sendo produzidas.

Quanto aos países da CEI, e sobretudo a Rússia, os métodos de ressonância magnética (especialmente a RMN) já ocuparam um lugar firme nos laboratórios de pesquisa desses estados. Em várias cidades (Moscou, Novosibirsk, Kazan, Tallinn, São Petersburgo, Irkutsk, Rostov-on-Don, etc.), surgiram escolas científicas sobre o uso desses métodos com seus próprios problemas originais e abordagens para sua solução.

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Os mesmos núcleos de átomos em diferentes ambientes em uma molécula mostram diferentes sinais de RMN. A diferença entre esse sinal de RMN e o sinal de uma substância padrão permite determinar o chamado deslocamento químico, que se deve à estrutura química da substância em estudo. Nas técnicas de RMN, existem muitas oportunidades para determinar a estrutura química das substâncias, as conformações das moléculas, os efeitos da influência mútua e as transformações intramoleculares.

Física RMN

A divisão dos níveis de energia do núcleo com Eu = 1/2 em um campo magnético

O fenômeno da ressonância magnética nuclear é baseado nas propriedades magnéticas dos núcleos atômicos consistindo de nucleons com spin semi-inteiro 1/2, 3/2, 5/2 .... Núcleos com massa par e números de carga (núcleos pares-par ) não possuem momento magnético , enquanto para todos os outros núcleos o momento magnético é diferente de zero.

Assim, os núcleos têm um momento angular relacionado ao momento magnético pela relação

,

onde é a constante de Planck, é o número quântico de spin, é a razão giromagnética.

O momento angular e o momento magnético do núcleo são quantizados e os autovalores da projeção e os momentos angulares e magnéticos no eixo z de um sistema de coordenadas escolhido arbitrariamente são determinados pela relação

e ,

onde é o número quântico magnético do autoestado do núcleo, seus valores são determinados pelo número quântico de spin do núcleo

isto é, o kernel pode estar em estados.

Assim, para um próton (ou outro núcleo com Eu = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P, etc.) só pode estar em dois estados

,

tal núcleo pode ser representado como um dipolo magnético, cuja componente z pode ser orientada paralela ou antiparalela à direção positiva do eixo z de um sistema de coordenadas arbitrário.

Deve-se notar que na ausência de um campo magnético externo, todos os estados com estados diferentes têm a mesma energia, ou seja, são degenerados. A degenerescência é removida em um campo magnético externo, enquanto a divisão em relação ao estado degenerado é proporcional ao campo magnético externo e ao momento magnético do estado e para um núcleo com um número quântico de spin EU em um campo magnético externo, um sistema de 2I+1 níveis de energia, ou seja, a ressonância magnética nuclear tem a mesma natureza que o efeito Zeeman da divisão de níveis eletrônicos em um campo magnético.

No caso mais simples, para um núcleo com spin c Eu = 1/2- por exemplo, para um próton, divisão

e diferença de energia dos estados de spin

Frequências de Larmor de alguns núcleos atômicos

A frequência para ressonância de prótons está na faixa de ondas curtas (comprimento de onda de cerca de 7 m).

Aplicação de RMN

Espectroscopia

artigo principal: Espectroscopia de RMN

Dispositivos

O coração do espectrômetro de RMN é um ímã poderoso. Em um experimento colocado em prática pela primeira vez por Purcell, uma amostra colocada em uma ampola de vidro com cerca de 5 mm de diâmetro é colocada entre os pólos de um eletroímã forte. Em seguida, a ampola começa a girar e o campo magnético que atua sobre ela aumenta gradualmente. Um gerador de RF de alta qualidade é usado como fonte de radiação. Sob a ação de um campo magnético crescente, os núcleos aos quais o espectrômetro está sintonizado começam a ressoar. Nesse caso, os núcleos blindados ressoam em uma frequência ligeiramente inferior à frequência de ressonância nominal (e do dispositivo).

A absorção de energia é registrada por uma ponte de RF e depois registrada por um registrador gráfico. A frequência é aumentada até atingir um certo limite, acima do qual a ressonância é impossível.

Como as correntes provenientes da ponte são muito pequenas, elas não se limitam a tomar um espectro, mas fazem várias dezenas de passagens. Todos os sinais recebidos são resumidos no gráfico final, cuja qualidade depende da relação sinal-ruído do instrumento.

Nesse método, a amostra é exposta à radiação de radiofrequência em uma frequência constante enquanto a intensidade do campo magnético muda, por isso também é chamado de método de campo constante (CW).

O método tradicional de espectroscopia de RMN tem muitas desvantagens. Primeiro, leva muito tempo para construir cada espectro. Em segundo lugar, é muito exigente quanto à ausência de interferência externa e, como regra, os espectros resultantes têm ruído significativo. Em terceiro lugar, não é adequado para criar espectrômetros de alta frequência (300, 400, 500 e mais MHz). Portanto, nos modernos instrumentos de RMN, é utilizado o chamado método de espectroscopia pulsada (PW), baseado na transformada de Fourier do sinal recebido. Atualmente, todos os espectrômetros de RMN são construídos com base em poderosos ímãs supercondutores com um campo magnético constante.

Ao contrário do método CW, na versão pulsada, a excitação dos núcleos é realizada não com uma “onda constante”, mas com a ajuda de um pulso curto, de vários microssegundos. As amplitudes dos componentes de frequência do pulso diminuem com o aumento da distância de ν 0 . Mas como é desejável que todos os núcleos sejam irradiados igualmente, é necessário o uso de “pulsos duros”, ou seja, pulsos curtos de alta potência. A duração do pulso é escolhida de modo que a largura de banda de frequência seja maior que a largura do espectro em uma ou duas ordens de magnitude. A potência atinge vários watts.

Como resultado da espectroscopia pulsada, não é obtido um espectro comum com picos de ressonância visíveis, mas uma imagem de oscilações ressonantes amortecidas, na qual todos os sinais de todos os núcleos ressonantes são misturados - o chamado "decaimento por indução livre" (FID, decaimento por indução livre). Para transformar esse espectro, são utilizados métodos matemáticos, a chamada transformada de Fourier, segundo a qual qualquer função pode ser representada como a soma de um conjunto de oscilações harmônicas.

Espectros de RMN

Espectro de 1 H 4-etoxibenzaldeído. No campo fraco (singleto ~ 9,25 ppm) o sinal do próton do grupo aldeído, no campo forte (tripleto ~ 1,85-2 ppm) - o próton do grupo metil etoxi.

Para análise qualitativa usando RMN, a análise espectral é usada, com base nas propriedades notáveis ​​deste método:

• os sinais dos núcleos de átomos incluídos em certos grupos funcionais situam-se em regiões estritamente definidas do espectro;
• a área integral limitada pelo pico é estritamente proporcional ao número de átomos ressonantes;
• núcleos situados através de 1-4 ligações são capazes de produzir sinais multipletos como resultado do chamado. divide um no outro.

A posição do sinal nos espectros de RMN é caracterizada pelo seu deslocamento químico em relação ao sinal de referência. Como este último em 1H e 13C NMR, é usado tetrametilsilano Si(CH3)4. A unidade de deslocamento químico são as partes por milhão (ppm) da frequência do instrumento. Se tomarmos o sinal TMS como 0 e considerarmos o deslocamento do sinal para um campo fraco como um deslocamento químico positivo, obteremos a chamada escala δ. Se a ressonância do tetrametilsilano for igual a 10 ppm e inverter os sinais, então a escala resultante será a escala τ, que praticamente não é usada no momento. Se o espectro de uma substância for muito complicado de interpretar, pode-se usar métodos químicos quânticos para calcular constantes de triagem e correlacionar os sinais com base neles.

Introscopia de RMN

O fenômeno da ressonância magnética nuclear pode ser usado não apenas na física e na química, mas também na medicina: o corpo humano é uma combinação de todas as mesmas moléculas orgânicas e inorgânicas.

Para observar esse fenômeno, um objeto é colocado em um campo magnético constante e exposto a campos magnéticos de radiofrequência e gradiente. Uma força eletromotriz alternada (EMF) surge no indutor ao redor do objeto em estudo, cujo espectro de amplitude-frequência e as características de transição de tempo carregam informações sobre a densidade espacial dos núcleos atômicos ressonantes, bem como sobre outros parâmetros específicos apenas para ressonância magnética nuclear. O processamento computacional dessa informação gera uma imagem tridimensional que caracteriza a densidade de núcleos quimicamente equivalentes, os tempos de relaxamento da ressonância magnética nuclear, a distribuição das taxas de fluxo de fluidos, a difusão de moléculas e os processos bioquímicos do metabolismo em tecidos vivos.

A essência da introscopia de RMN (ou ressonância magnética) consiste, de fato, na implementação de um tipo especial de análise quantitativa da amplitude do sinal de ressonância magnética nuclear. Na espectroscopia de RMN convencional, o objetivo é obter a melhor resolução possível das linhas espectrais. Para isso, os sistemas magnéticos são ajustados de forma a criar a melhor uniformidade de campo possível dentro da amostra. Nos métodos de introscopia de RMN, pelo contrário, o campo magnético é criado obviamente não homogêneo. Então há razão para esperar que a frequência de ressonância magnética nuclear em cada ponto da amostra tenha seu próprio valor, diferente dos valores em outras partes. Ao definir algum código para gradações de amplitude do sinal NMR (brilho ou cor na tela do monitor), você pode obter uma imagem condicional (

MINISTÉRIO DA SAÚDE DA FEDERAÇÃO RUSSA

AUTORIZAÇÃO GERAL DE FARMACOPEIA

Espectroscopia de GPM nuclear.1.2.1.1.0007.15
ressonância magnética em vez de GFXII, parte 1,
OFS 42-0046-07

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) é um método baseado na absorção de radiação eletromagnética de radiofrequência pelos núcleos de uma amostra com um momento magnético diferente de zero colocada em um campo magnético constante. B 0). Momentos magnéticos diferentes de zero têm isótopos de núcleos de elementos com uma massa atômica ímpar (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P, etc.).

Princípios gerais

Um núcleo girando em torno de seu eixo tem seu próprio momento de momento (momento angular ou spin) P. O momento magnético do núcleo μ é diretamente proporcional ao spin: μ = γ ∙ P(γ é o fator de proporcionalidade ou razão giromagnética). Os momentos angulares e magnéticos são quantizados, ou seja, pode ser em 2 EU+ 1 estados de rotação ( EU – spin número quântico). Diferentes estados dos momentos magnéticos dos núcleos têm a mesma energia se não forem afetados por um campo magnético externo. Quando os núcleos são colocados em um campo magnético externo B 0, a degenerescência de energia dos núcleos é removida e surge a possibilidade de uma transição de energia de um nível para outro. O processo de distribuição de núcleos entre diferentes níveis de energia procede de acordo com a lei de distribuição de Boltzmann e leva ao aparecimento de uma magnetização longitudinal de equilíbrio macroscópico M z. O tempo que leva para criar M z depois de ligar o campo magnético externo NO 0 , é chamado de tempo longitudinal ou rodar—treliça relaxamento (T 1). A violação da distribuição de equilíbrio dos núcleos ocorre sob a ação de um campo magnético de radiofrequência ( B 1), perpendicular B 0 , que causa transições adicionais entre os níveis de energia, acompanhadas de absorção de energia (o fenômeno ressonância magnética nuclear). Frequência ν 0 , no qual ocorre a absorção de energia pelos núcleos ( Larmorova ou frequência de absorção ressonante), varia dependendo do valor do campo constante B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. No momento da ressonância, há uma interação entre os momentos magnéticos nucleares individuais e o campo NO 1 , que gera um vetor M z de sua posição de equilíbrio ao longo do eixo z. Como resultado, aparece magnetização transversal M xy. Sua mudança associada à troca dentro do sistema de spin é caracterizada pelo tempo transversal ou girar-girar relaxamento (T 2).

Dependência da intensidade de absorção de energia por núcleos do mesmo tipo da frequência do campo magnético de radiofrequência em um valor fixo NO 0 é chamado espectro unidimensionalressonância magnética nuclear núcleos deste tipo. O espectro de NMR pode ser obtido de duas maneiras: irradiando continuamente a amostra com um campo de RF de frequência variável, como resultado do qual o espectro de NMR é registrado diretamente (espectroscopia de exposição contínua), ou expondo a amostra a um pulso de RF curto ( espectroscopia pulsada). Na espectroscopia de RMN pulsada, radiação coerente decaída no tempo emitida pelos núcleos ao retornar ao estado de spin inicial ( sinal de decaimento de indução livre) seguido pela transformação da escala de tempo em frequência ( transformada de Fourier).

Nas moléculas, os elétrons dos átomos reduzem a magnitude do campo magnético externo atuante B 0 na localização do kernel, ou seja. parece blindagem diamagnética:

B local = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok é a intensidade do campo resultante;

σ é a constante de triagem.

A diferença nas frequências de ressonância dos sinais dos núcleos, igual à diferença em suas constantes de blindagem, é chamada mudança química sinais, indicados pelo símbolo δ , medido em partes por milhão (ppm). Interação de momentos magnéticos de núcleos através de elétrons de ligação química ( interação spin-spin) causa a divisão do sinal de NMR ( multiplicidade, m). O número de componentes em multipletos é determinado pelo spin nuclear e pelo número de núcleos que interagem. A medida da interação spin-spin é constante de acoplamento spin-spin (J, medido em hertz, Hz). Valores δ, m e J não dependem da magnitude do campo magnético constante.

A intensidade do sinal de RMN nuclear no espectro é determinada pela população de seus níveis de energia. Dos núcleos com abundância natural de isótopos, os sinais mais intensos são produzidos por núcleos de hidrogênio. A intensidade dos sinais de RMN também é afetada pelo tempo de relaxamento longitudinal-transversal (grandes T 1 levam a uma diminuição na intensidade do sinal).

A largura dos sinais de NMR (diferença entre frequências na metade do máximo do sinal) depende T 1 e T 2. pequenos momentos T 1 e T 2 causam sinais de espectro amplos e mal interpretados.

A sensibilidade do método de RMN (concentração máxima detectável de uma substância) depende da intensidade do sinal nuclear. Para núcleos 1H, a sensibilidade é de 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Correlações de vários parâmetros espectrais (por exemplo, deslocamentos químicos de diferentes núcleos dentro do mesmo sistema molecular) podem ser obtidas por métodos homo e heteronucleares em formato 2D ou 3D.

dispositivo

Espectrômetro de pulso NMR de alta resolução (espectrômetro NMR) consiste em:

• ímã para criar um campo magnético constante B 0 ;
• um sensor de temperatura controlada com um porta-amostras para aplicação de um pulso de RF e detecção da radiação emitida pela amostra;
• um dispositivo eletrônico para criar um pulso de radiofrequência, gravando, amplificando e convertendo o sinal de decaimento de indução livre em formato digital;
• dispositivos para sintonizar e ajustar circuitos eletrônicos;
• dispositivos de coleta e processamento de dados (computador);

e também pode incluir:

uma célula de fluxo para cromatografia líquida NMR ou análise de injeção de fluxo;

• sistema para criar um gradiente de campo magnético pulsado.

Um forte campo magnético é gerado por uma bobina de supercondutividade em um recipiente Dewar preenchido com hélio líquido.

O funcionamento adequado do espectrômetro de RMN deve ser verificado. Para verificação, são realizados testes apropriados, incluindo, como regra, a medição da largura da linha espectral a meia altura de certos picos sob certas condições ( permissão), reprodutibilidade da posição do sinal e razão sinal-ruído (a razão entre a intensidade de um sinal específico no espectro de NMR e flutuações aleatórias na região do espectro que não contém sinais do analito, S/N) para misturas padrão. O software do espectrômetro contém algoritmos para determinar S/N. Todos os fabricantes de instrumentos fornecem especificações e protocolos de medição para esses parâmetros.

Espectroscopia de NMR de Amostras em Soluções

Metodologia

A amostra de teste é dissolvida em um solvente ao qual um padrão de calibração de deslocamento químico apropriado pode ser adicionado conforme especificado no documento regulatório. O valor do deslocamento químico relativo do núcleo de uma substância (δ in-in) é determinado pela seguinte expressão:

δ in-in \u003d (ν in-in - ν padrão) / ν do dispositivo,

ν in-in - a frequência de ressonância do núcleo da substância, Hz;

ν etalon é a frequência de ressonância do núcleo etalon, Hz;

ν do dispositivo é a frequência de operação do espectrômetro de RMN (a frequência na qual as condições de ressonância para núcleos de hidrogênio são satisfeitas para um determinado B 0, MHz).

Para soluções em solventes orgânicos, o deslocamento químico nos espectros 1H e 13C é medido em relação ao sinal de tetrametilsilano, cuja posição é tomada como 0 ppm. Os deslocamentos químicos são contados na direção de um campo fraco (à esquerda) a partir do sinal de tetrametilsilano (delta é a escala de deslocamentos químicos). Para soluções aquosas, 2,2-dimetil-2-silanopentano-5-sulfonato de sódio é usado como referência em espectros de 1H RMN, cujo deslocamento químico dos prótons do grupo metila é de 0,015 ppm. Para os espectros de soluções aquosas de 13 C, o dioxano é usado como referência, cujo deslocamento químico é de 67,4 ppm.

Ao calibrar os espectros de 19 F, o ácido trifluoroacético ou triclorofluorometano é usado como padrão primário com desvio químico zero; espectro 31P - solução a 85% de ácido fosfórico ou trimetilfosfato; espectro 15 N - solução de nitrometano ou amônia saturada. Em 1 H e 13 C RMN, como regra, é utilizado um padrão interno, que é adicionado diretamente à amostra de teste. Em 15 N, 19 F e 31 P RMN muitas vezes usam um padrão externo, que é separadamente em um tubo de ensaio cilíndrico coaxial ou capilar.

Ao descrever os espectros de RMN, é necessário indicar o solvente no qual a substância é dissolvida e sua concentração. Líquidos facilmente móveis são usados ​​como solventes, nos quais os átomos de hidrogênio são substituídos por átomos de deutério para reduzir a intensidade dos sinais do solvente. O solvente deuterado é selecionado com base nos seguintes critérios:

• 1) a solubilidade do composto de teste nele;
• 2) nenhuma sobreposição entre os sinais de prótons residuais do solvente deuterado e os sinais do composto de teste;
• 3) nenhuma interação entre o solvente e o composto de teste, salvo indicação em contrário.

Os átomos de solvente emitem sinais que são facilmente identificados pelo seu deslocamento químico e podem ser usados ​​para calibrar o eixo do deslocamento químico (padrão secundário). Os deslocamentos químicos dos sinais de prótons residuais de solventes deuterados têm os seguintes valores (ppm): clorofórmio, 7,26; benzeno, 7,16; água - 4,7; metanol -3,35 e 4,78; dimetilsulfóxido - 2,50; acetona - 2,05; a posição do sinal da água e dos prótons dos grupos hidroxila dos álcoois depende do pH do meio e da temperatura.

Para análise quantitativa, as soluções devem estar livres de partículas não dissolvidas. Para alguns ensaios, pode ser necessário adicionar um padrão interno para comparar as intensidades do teste e das amostras de referência. Amostras padrão apropriadas e suas concentrações devem ser especificadas na documentação normativa. Depois de colocar a amostra em um tubo de ensaio e tampar, a amostra é introduzida no ímã do espectrômetro de RMN, os parâmetros de teste são definidos (configurações, registro, digitalização do sinal de decaimento de indução livre). Os principais parâmetros de teste fornecidos na documentação regulatória são registrados ou armazenados em um computador.

Para evitar o desvio do espectro ao longo do tempo, um procedimento de estabilização (bloqueio de deutério) é realizado usando o sinal de deutério induzido por solventes deuterados, a menos que indicado de outra forma. O instrumento é ajustado para obter as condições de ressonância mais ideais e a relação máxima S/N(calço).

Durante o teste, é possível realizar múltiplas sequências de ciclos "impulso - aquisição de dados - pausa" com posterior somatória de sinais individuais de decaimento de indução livre e média do nível de ruído. O tempo de atraso entre as sequências de pulso durante o qual o sistema de spins nucleares restaura sua magnetização ( D 1), para medições quantitativas deve exceder o tempo de relaxamento longitudinal T 1: D 1 ≥ 5 T 1 . O software do espectrômetro contém algoritmos para determinar T 1 . Se o valor T 1 for desconhecido, recomenda-se usar o valor D 1 = 25 seg.

Após realizar a transformada de Fourier, os sinais na representação de frequência são calibrados para o padrão selecionado e sua intensidade relativa é medida por integração - medindo a razão das áreas dos sinais ressonantes. Nos espectros de 13 C, apenas sinais do mesmo tipo são integrados. A precisão da integração do sinal depende da relação sinal – barulho (S/N):

Onde você(EU) é a incerteza padrão de integração.

O número de acumulações de decaimento de indução livre necessário para alcançar uma razão satisfatória S/ N, deve ser fornecido na documentação regulamentar.

Juntamente com o unidimensional para fins analíticos, são utilizados espectros de correlação bidimensionais homo e heteronucleares, baseados em uma determinada sequência de pulsos (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE, etc.). Nos espectros bidimensionais, a interação entre os núcleos se manifesta na forma de sinais chamados de picos cruzados. A posição dos picos cruzados é determinada pelos valores dos deslocamentos químicos dos dois núcleos que interagem. Os espectros bidimensionais são preferencialmente usados ​​para determinar a composição de misturas e extratos complexos, porque a probabilidade de superposição de sinal (picos cruzados) em espectros bidimensionais é significativamente menor do que a probabilidade de superposição de sinal em espectros unidimensionais.

Para obter rapidamente os espectros de heteronúcleos (13 C, 15 N, etc.), são utilizados métodos (HSQC, HMBC), que permitem obter espectros de outros núcleos em núcleos 1H utilizando os mecanismos de interação heteronuclear.

A técnica DOSY, baseada no registro da perda de coerência de fase de spins nucleares devido a deslocamentos translacionais de moléculas sob a ação de um gradiente de campo magnético, permite obter espectros de compostos individuais (separação espectral) em uma mistura sem sua separação física e determinar os tamanhos, graus de agregação e pesos moleculares de objetos moleculares (moléculas, macromoléculas, complexos moleculares, sistemas supramoleculares).

Áreas de uso

A variedade de informações estruturais e analíticas contidas nos espectros de ressonância magnética nuclear possibilita o uso do método de ressonância magnética nuclear para análises qualitativas e quantitativas. O uso da espectroscopia de ressonância magnética nuclear em análise quantitativa baseia-se na proporcionalidade direta da concentração molar de núcleos magneticamente ativos à intensidade integral do sinal de absorção correspondente no espectro.

1. Identificação da substância ativa. A identificação da substância ativa é realizada comparando o espectro da amostra de teste com o espectro de uma amostra padrão ou com um espectro de referência publicado. Os espectros de amostras padrão e de teste devem ser obtidos usando os mesmos métodos e condições. Os picos nos espectros comparados devem coincidir em posição (desvios dos valores δ teste e amostras padrão dentro de ± 0,1 ppm. para ressonância magnética nuclear 1 N e ± 0,5 ppm. para ressonância magnética nuclear 13 C), intensidade e multiplicidade integradas, cujos valores devem ser fornecidos ao descrever os espectros. Na ausência de uma amostra padrão, pode ser utilizada uma amostra padrão farmacopéica, cuja identidade é confirmada por interpretação estrutural independente dos dados espectrais e métodos alternativos.

Ao confirmar a autenticidade de amostras de composição não estequiométrica (por exemplo, polímeros naturais de composição variável), os picos das amostras de teste e padrão podem diferir em posição e intensidade integral dos sinais. Os espectros a serem comparados devem ser semelhantes, ou seja, contêm as mesmas regiões características dos sinais, confirmando a coincidência da composição do fragmento das amostras teste e padrão.

Para estabelecer a autenticidade de uma mistura de substâncias (extratos), espectros de RMN unidimensionais podem ser usados ​​como um todo, como “impressões digitais” de um objeto, sem detalhar os valores de δ e a multiplicidade de sinais individuais. No caso de usar espectroscopia de RMN bidimensional na descrição de espectros (fragmentos de espectro) reivindicados para autenticidade, os valores de picos cruzados devem ser fornecidos.

1. Identificação de matéria estranha/solventes orgânicos residuais. A identificação de impurezas/solventes orgânicos residuais é realizada de forma semelhante à identificação da substância ativa, reforçando os requisitos de sensibilidade e resolução digital.
2. Determinação do teor de impurezas estranhas/solventes orgânicos residuais em relação à substância ativa. O método de NMR é um método absoluto direto para determinar a razão molar da substância ativa e o composto de impureza ( n/n impureza):

Onde S‘ e S‘ impureza - valores normalizados das intensidades integrais dos sinais da substância ativa e impureza.

A normalização é realizada de acordo com o número de núcleos no fragmento estrutural, que determina o sinal medido.

Fração de massa de impureza / solvente orgânico residual em relação à substância ativa ( X pr) é determinado pela fórmula:

M pr é o peso molecular da impureza;

Mé o peso molecular da substância ativa;

S‘ pr é o valor normalizado da intensidade integral do sinal de impureza;

S'– valor normalizado da intensidade integral do sinal da substância ativa.

1. Determinação quantitativa do conteúdo da substância (substância ativa, impureza/solvente residual) na substância farmacêutica. Conteúdo absoluto da matéria em uma substância farmacêutica, é determinado pelo método do padrão interno, que é escolhido como uma substância cujos sinais estão próximos aos sinais do analito, sem sobreposição com eles. As intensidades de sinal do analito e do padrão não devem diferir significativamente.

A porcentagem do analito na amostra de teste em termos de matéria seca ( x,% em massa) é calculado pela fórmula:

x,% massa = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ uma 0 /M 0 ∙ uma) ∙ ,

S'é o valor normalizado da intensidade integral do sinal do analito;

S' 0 é o valor normalizado da intensidade do sinal integrado do padrão;

Mé o peso molecular do analito;

M 0 – peso molecular;

uma- pesagem da amostra de teste;

um 0– peso da substância padrão;

C- teor de umidade, %.

Os seguintes compostos podem ser usados ​​como padrões: ácido maleico (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzoato de benzila (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), ácido malônico (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), succinimida (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), acetanilida (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Conteúdo relativo da substância como a proporção de um componente em uma mistura de componentes de uma substância farmacêutica é determinada pelo método de normalização interna. molar ( X mol) e massa ( X massa) fração componente eu em uma mistura n substâncias é determinada pelas fórmulas:

1. Determinação do peso molecular de proteínas e polímeros. Os pesos moleculares de proteínas e polímeros são determinados comparando sua mobilidade com a de compostos de referência de peso molecular conhecido usando técnicas DOSY. Os coeficientes de autodifusão são medidos ( D) das amostras de teste e padrão, construa um gráfico da dependência dos logaritmos dos pesos moleculares dos compostos padrão nos logaritmos D. A partir do gráfico assim obtido, os pesos moleculares desconhecidos das amostras de teste são determinados por regressão linear. Uma descrição completa do experimento DOSY deve ser fornecida na documentação regulatória.

Espectroscopia de RMN de sólidos

As amostras no estado sólido são analisadas usando espectrômetros de RMN especialmente equipados. Certas operações técnicas (rotação de uma amostra em pó em um rotor inclinado em um ângulo mágico (54,7°) em relação ao eixo do campo magnético NO 0 , força de desemparelhamento, transferência de polarização de núcleos altamente excitáveis ​​para núcleos menos polarizáveis ​​- polarização cruzada) permitem obter espectros de alta resolução de compostos orgânicos e inorgânicos. Uma descrição completa do procedimento deve ser fornecida na documentação regulamentar. A principal área de aplicação deste tipo de espectroscopia de RMN é o estudo do polimorfismo de fármacos sólidos.

Ressonância magnética nuclear
ressonância magnética nuclear

Ressonância magnética nuclear (RMN) - absorção ressonante de ondas eletromagnéticas por núcleos atômicos, que ocorre quando a orientação dos vetores de seus próprios momentos de momento (spins) muda. A RMN ocorre em amostras colocadas em um campo magnético constante forte, ao mesmo tempo em que as expõe a um campo eletromagnético alternado fraco da faixa de radiofrequência (as linhas de força do campo alternado devem ser perpendiculares às linhas de força do campo constante). Para núcleos de hidrogênio (prótons) em um campo magnético constante com uma força de 10 4 oersted, a ressonância ocorre em uma frequência de onda de rádio de 42,58 MHz. Para outros núcleos em campos magnéticos de 103–104 oersted NMR é observado na faixa de frequência de 1–10 MHz. A RMN é amplamente utilizada em física, química e bioquímica para estudar a estrutura de sólidos e moléculas complexas. Na medicina, usando RMN com resolução de 0,5 a 1 mm, é obtida uma imagem espacial dos órgãos internos de uma pessoa.

Vamos considerar o fenômeno da RMN no exemplo do núcleo mais simples - o hidrogênio. O núcleo de hidrogênio é um próton, que tem um certo valor de seu próprio momento mecânico de momento (spin). De acordo com a mecânica quântica, o vetor de spin do próton pode ter apenas duas direções mutuamente opostas no espaço, convencionalmente denotadas pelas palavras “para cima” e “para baixo”. O próton também tem um momento magnético, cuja direção do vetor está rigidamente ligada à direção do vetor de spin. Portanto, o vetor do momento magnético do próton pode ser direcionado “para cima” ou “para baixo”. Assim, o próton pode ser representado como um ímã microscópico com duas orientações possíveis no espaço. Se você colocar um próton em um campo magnético externo constante, a energia do próton nesse campo dependerá de onde seu momento magnético é direcionado. A energia de um próton será maior se seu momento magnético (e spin) for direcionado na direção oposta ao campo. Vamos denotar esta energia como E ↓ . Se o momento magnético (spin) do próton é direcionado na mesma direção que o campo, então a energia do próton, denotada E, será menor (E< E ↓). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию Δ Е = E ↓ − E , то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая” его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением ΔЕ = ћω.
Vamos passar de um único próton para uma amostra macroscópica de hidrogênio contendo um grande número de prótons. A situação ficará assim. Na amostra, devido à média de orientações aleatórias de spins, números aproximadamente iguais de prótons, quando um campo magnético externo constante é aplicado, aparecerão em relação a este campo com spins direcionados “para cima” e “para baixo”. A irradiação de uma amostra com ondas eletromagnéticas com uma frequência ω = (E ↓ − E )/ћ causará um spin flip “maciço” (momentos magnéticos) dos prótons, como resultado do qual todos os prótons da amostra estarão em um estado com spins direcionados contra o campo. Uma mudança tão grande na orientação dos prótons será acompanhada por uma absorção (ressonante) aguda de quanta (e energia) do campo eletromagnético irradiante. Isso é RMN. A RMN só pode ser observada em amostras com um grande número de núcleos (10 16) usando técnicas especiais e instrumentos altamente sensíveis.