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

Uma analogia Condutividade ac

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

Se a substância paramagnética alterar a indutância, como se observaria este efeito experimentalmente ?  = Susceptibilidade Magnética = ’ - i ”  = Fator de Preenchimento da bobina L0 = Indutância da bobina vazia Potência dissipada no resistor equivalente: No futuro veremos que se H1 é pequeno, basta medir ”, pois: ’ e ” estão relacionados entre si pelas “Relações de Kramers-Kronig”

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)

Um exemplo conhecido: o oscilador harmônico TF

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

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

E daí, é só isso? Não! A prática (e teoria) diz que o experimento fica interessante (com maior sensibilidade e resolução) quando:  / 2  106 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:

Os fios se tornam cabos coaxiais com impedância característica Zo   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

O núcleo TAMBÉM é um dipolo 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: O núcleo TAMBÉM é um dipolo magnético ! ! ! Energia clássica de um dipolo em um campo magnético

Núcleo: momento angular total = soma das contribuições individuais 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 prótons N nêutrons M Spin nuclear I Exemplos Par Zero 12C6 e 16O8 Ímpar Semi-inteiro 13C6 e 17O8 19F9 e 31P15 Inteiro 2H1 e 14N7

Núcleos com spin ½ Núcleos com spin > ½ Isótopo Spin Abundância natural (%) Freqüência de Larmor (MHz), 10 T 1H 1/2 99,98 425,75 13C 1,108 104,07 Núcleos com spin > ½ Isótopo Spin Abundância natural (%) Freqüência de Larmor (MHz), 10 T 7Li 3/2 92,58 165,45 23Na 100 112,60 133Cs 7/2 56,05

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

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

Alguns Tipos de Equipamentos de RMN B0: 10 – 21 Tesla Sistemas de Alto Campo Magnético

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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.

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Imagens por RMN t n, x Gradiente de campo Magnético t FID t FID

2D-FT

Contraste por Densidade de 1H Contraste por T1 Contraste por T2 3D Neurinoma do nervo acústico Joelho Angiografia

Outra aplicação importante: produzir prêmios Nobel !

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

O que se mede? FID e Eco

Relaxação Transversal – T1 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 T1 depende de características do material (por exemplo, dinâmica rápida das moléculas,difusão molecular)

Relaxação Transversal – T2 Desaparecimento da magnetização transversal devido a variações locais na freqüência de Larmor decorrente de inhomogeneidades nos campos magnéticos i = Blocal(r,t) O tempo de relaxação T2 depende de características do material (por exemplo, dinâmica lenta das moléculas, viscosidade)

Muito Obrigado ! ! !