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Ressonância Magnética Nuclear RMN Prof. Claudio José Magon Laboratório de Física Avançada 2011.

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1 Ressonância Magnética Nuclear RMN Prof. Claudio José Magon Laboratório de Física Avançada 2011

2 Condutividade ac Uma analogia

3 E se quisermos explorar propriedades magnéticas ? SUBSTÂNCIAS PARAMAGNÉTICAS estas substâncias não produzem alteração na indutância; A MENOS QUE ….. EPR NMR SUBSTÂNCIAS DIAMAGNÉTICAS

4 =Susceptibilidade Magnética = - i =Fator de Preenchimento da bobina L 0 =Indutância da bobina vazia Potência dissipada no resistor equivalente: No futuro veremos que se H 1 é pequeno, basta medir, pois: e estão relacionados entre si pelas Relações de Kramers-Kronig Se a substância paramagnética alterar a indutância, como se observaria este efeito experimentalmente ?

5 Um conceito importante: a teoria da Resposta Linear A magnetização da amostra é a resposta ao campo de excitação (campo magnético alternado) Parte imaginária Absorção (ou componente em quadratura) Parte real Dispersão (ou componente em fase)

6 Um exemplo conhecido: o oscilador harmônico TF

7 Como medir ? PONTE DE CORRENTE ALTERNADA Entretanto, a prática diz que esta técnica, apesar de muito sensível, AINDA NÃO É SUFICIENTE ! (como se faz para pesar uma laranja em um caminhão de laranjas ? )

8 acrescentar um capacitor tal que: Quando isto acontece, o capacitor CANCELA o indutor e o circuito fica assim: Lembramos: L, R : mesma ordem de grandeza Uma modificação importante: Alem disso: a sensibilidade da medida aumenta com o FATOR DE QUALIDADE do circuito ressonante

9 E daí, é só isso? Não! A prática (e teoria) diz que o experimento fica interessante (com maior sensibilidade e resolução) quando: / Hz = 1 MHz PROBLEMA ! Em altas frequências os fios do circuito não se comportam mais como fios. Fios se comportam como linhas de transmissão. Isto acontece porque o comprimento de onda associado a : se torna comparável ao comprimento dos fios, por exemplo:

10 Os fios se tornam cabos coaxiais com impedância característica Z o Para que não haja reflexões nas terminações, é necessário casar as impedâncias Uma forma prática de fazer isto é a seguinte: Impedância do circuito de sintonia

11 O núcleo TAMBÉM é um dipolo magnético ! ! ! Energia clássica de um dipolo em um campo magnético E daí, é só isso? Ainda não! O atores principais desta aula são os NÚCLEOS DOS ÁTOMOS Em muitas situações, podemos assumir simplesmente que:

12 O núcleo atômico e o spin nuclear M = massa atômica Z = número atômico Núcleons: Z prótons N = ( M-Z ) nêutrons 13 prótons 14 nêutrons Prótons e nêutrons: momento angular intrínseco No núcleo ambos também apresentam momento angular orbital Núcleo: momento angular total = soma das contribuições individuais SPIN : Z prótonsN nêutronsMSpin nuclear IExemplos Par Zero 12 C 6 e 16 O 8 ParÍmpar Semi-inteiro 13 C 6 e 17 O 8 ÍmparParÍmparSemi-inteiro 19 F 9 e 31 P 15 Ímpar ParInteiro 2 H 1 e 14 N 7

13 Núcleos com spin ½ Núcleos com spin > ½ IsótopoSpin Abundância natural (%) Freqüência de Larmor (MHz), 10 T 1H1H1/299,98425,75 13 C1/21,108104,07 IsótopoSpin Abundância natural (%) Freqüência de Larmor (MHz), 10 T 7 Li3/292,58165,45 23 Na3/ , Cs7/210056,05

14 Este é o experimento que dá certo, pois, a amostra somente absorve a radio-frequência na presença de um campo magnético estático aplicado Condições Básicas para a NMR: 1.Núcleo magnético 2.Radiação monocromática (rádio-frequência) 3.Campo magnético estático

15 EXISTEM DUAS TÉCNICAS PRINCIPAIS (a mais utilizada em NMR) (pouco utilizada em NMR)

16 Alguns Tipos de Equipamentos de RMN Sistemas de Alto Campo Magnético B 0 : 10 – 21 Tesla

17 Alguns Tipos de Equipamentos de RMN Sistemas para Imagens Médicas B 0 : 0.5 – 2 Tesla

18 Alguns Tipos de Equipamentos de RMN Sistemas de Baixo Campo ( B 0 : 0.05x10 -3 – 1 Tesla )

19 Aplicações de RMN - Relaxometria Análise de Superfícies gesso madeira fibra Pintura gesso madeira fibra pintura

20 Aplicações de RMN - Relaxometria RMN no Campo Terrestre Loop de ~100 m

21 Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN Deslocamento Químico Freqüência de RMN: Campo experimentado pelo núcleo i : Depende das características da nuvem eletrônica do átomo/molécula Freqüência de Ressonância depende do grupo químico

22 Deslocamento Químico Aplicações de RMN II – Espectroscopia por RMN Estrutura Química do Material pode ser inferida à partir do espectro de RMN

23 Aplicações de RMN II – Espectroscopia por RMN Deslocamento Químico RMN de 13 C Polimorfismo

24 Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN Outras Interações Interação com o campo principal Informação sobre a ligação química entre núcleos Informação sobre o tipo de grupo químico e orientação relativa entre moléculas e átomos Informação sobre o distâncias internucleares e suas orientações. Informação sobre distribuições de cargas locais.

25 Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN RMN de Proteínas

26 Desenvolvimento de ferramentas para Processamento da Informação Quântica via NMR Dispositivos orgânicos: Computação Quântica Moléculas Cristais líquidos

27 Prof. Horácio C. Panepucci GERAÇÃO DE IMAGENS MÉDICAS POR RMN

28 t, x t FID t tt Gradiente de campo Magnético Imagens por RMN

29 2D-FT

30 Contraste por Densidade de 1 H Contraste por T 2 Contraste por T 1 Neurinoma do nervo acústico Joelho Angiografia 3D

31 Outra aplicação importante: produzir prêmios Nobel !

32

33

34 O Espectrômetro de RMN

35 Diagrama de blocos do espectrômetro de RMN do Laboratório Avançado IFSC-USP

36 O que se mede? FID e Eco

37 Relaxação Transversal – T 1 Recuperação da magnetização z devido a transições de spin induzidas por campos de RF resultantes de flutuações (térmicas por exemplo) das cargas no meio ambiente em volta do núcleo. O tempo de relaxação T 1 depende de características do material (por exemplo, dinâmica rápida das moléculas,difusão molecular)

38 Relaxação Transversal – T 2 Desaparecimento da magnetização transversal devido a variações locais na freqüência de Larmor decorrente de inhomogeneidades nos campos magnéticos O tempo de relaxação T 2 depende de características do material (por exemplo, dinâmica lenta das moléculas, viscosidade) i = B local (r,t)

39 Muito Obrigado ! ! !


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