Resonancia magnética nuclear de estado sólido

RMN de estado sólido (ssNMR) es una técnica para caracterizar la estructura a nivel atómico en materiales sólidos, p. polvos, monocristales y muestras y tejidos amorfos mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). La parte anisotrópica de muchas interacciones de espín está presente en la RMN de estado sólido, a diferencia de la RMN en estado de solución, donde el movimiento rápido de rotación promedia muchas de las interacciones de espín. Como resultado, los espectros de RMN en estado sólido se caracterizan por anchos de línea mayores que en la RMN en estado de solución, lo que puede utilizarse para brindar información cuantitativa sobre la estructura molecular, la conformación y la dinámica del material. La RMN de estado sólido a menudo se combina con giro de ángulo mágico para eliminar interacciones anisotrópicas y mejorar la resolución y la sensibilidad de la técnica.

Interacciones de giro nuclear

La frecuencia de resonancia de un espín nuclear depende de la intensidad del campo magnético en el núcleo, que puede modificarse mediante interacciones isotrópicas (por ejemplo, desplazamiento químico, acoplamiento J isotrópico) y anisotrópicas (por ejemplo, anisotropía por desplazamiento químico, interacciones dipolares) . En un experimento clásico de RMN en estado líquido, la rotación molecular procedente del movimiento browniano promedia las interacciones anisotrópicas a cero y, por lo tanto, no se reflejan en el espectro de RMN. Sin embargo, en medios con poca o ninguna movilidad (por ejemplo, polvos cristalinos, vidrios, grandes vesículas de membrana, agregados moleculares), los campos o interacciones locales anisotrópicos tienen una influencia sustancial en el comportamiento de los espines nucleares, lo que da como resultado un ensanchamiento de la línea de los espectros de RMN.

Protección química

El blindaje químico es una propiedad local de cada sitio nuclear en una molécula o compuesto, y es proporcional al campo magnético externo aplicado. El campo magnético externo induce corrientes de electrones en los orbitales moleculares. Estas corrientes inducidas crean campos magnéticos locales que provocan cambios característicos en la frecuencia de resonancia. Estos cambios se pueden predecir a partir de la estructura molecular mediante reglas empíricas o cálculos de química cuántica.

En general, el blindaje químico es anisotrópico debido a la distribución anisotrópica de los orbitales moleculares alrededor de los sitios nucleares. Bajo un giro de ángulo mágico suficientemente rápido, o bajo el efecto de un giro molecular en RMN en estado de solución, la dependencia anisotrópica del blindaje químico se promedia en el tiempo a cero, dejando solo el desplazamiento químico isotrópico.

Acoplamiento dipolar

Los espines nucleares exhiben un momento dipolar magnético, que genera un campo magnético que interactúa con los momentos dipolares de otros núcleos (acoplamiento dipolar). La magnitud de la interacción depende de la relación giromagnética de las especies de espín, la distancia internuclear r y la orientación, con respecto al campo magnético externo B, del vector que conecta los dos espines nucleares (ver figura). El acoplamiento dipolar máximo viene dado por la constante de acoplamiento dipolar d,

d=▪ ▪ ()μ μ 04π π )1r3γ γ 1γ γ 2{displaystyle d=hbar left({frac {mu {0}{4pi}}derecha) {1}{3}}gamma _{1}gamma ¿Qué?,

donde γ₁ y γ₂ son las proporciones giromagneticas de los núcleos, ▪ ▪ {displaystyle hbar } es la constante del Planck reducido, y μ μ 0{displaystyle mu _{0}} es la permeabilidad del vacío. En un campo magnético fuerte, el acoplamiento dipolar depende del ángulo Silencio entre el vector internuclear y el campo magnético externo B (gráfico) según

D∝ ∝ 3#2⁡ ⁡ Silencio Silencio − − 1{displaystyle Dpropto 3cos ^{2}theta -1}.

D se convierte en cero para Silencio Silencio m=Arccos⁡ ⁡ 1/3=arctan⁡ ⁡ 2≃ ≃ 54,7∘ ∘ {displaystyle theta ¿Qué? {fnK}simeq 54.7}{circ }. En consecuencia, dos núcleos con un vector de acoplamiento dipolar en un ángulo de Silencio_m = 54.7° a un campo magnético externo fuerte tienen acoplamiento dipolar cero. Silencio_m se llama el ángulo mágico. El giro de ángulo mágico se usa típicamente para eliminar acoplamientos dipolares más débiles que la tasa de giro.

Interacción cuadrupolar

Nuclei con un número de cuádrupo de espina dorsal 1/2 tienen una distribución de carga no esférica y un tensor de momento de cuádrupo eléctrico asociado. El momento de cuádrupo eléctrico nuclear junto con gradientes de campo eléctrico circundante. El acoplamiento de cuádrupo nuclear es una de las interacciones más grandes de la espectroscopia NMR, a menudo comparable en tamaño al acoplamiento de Zeeman. Cuando el acoplamiento de cuádrupo nuclear no es insignificante en relación con el acoplamiento de Zeeman, se necesitan correcciones de orden superior para describir correctamente el espectro NMR. En tales casos, la corrección de primera orden a la frecuencia de transición de la NMR conduce a una fuerte expansión de la línea anisotrópica del espectro de la NMR. Sin embargo, todas las transiciones simétricas, entre mI{displaystyle # y − − mI{displaystyle - ¿Sí? los niveles no son afectados por la contribución de frecuencia de primer orden. La contribución de frecuencia de segundo orden depende de la P₄ Polinomio Legendre, que tiene cero puntos a 30.6° y 70.1°. Estas ampliaciones anisotrópicas se pueden eliminar usando DOR (Angulo Double Rotación) donde giras en dos ángulos al mismo tiempo, o DAS (Doble Angle Spinning) donde cambias rápidamente entre los dos ángulos. Ambas técnicas se desarrollaron a finales del decenio de 1980 y requieren hardware especializado (probe). Múltiples ángulos mágicos cuánticos girando (MQMAS) NMR fue desarrollado en 1995 y se ha convertido en un método rutinario para obtener espectros NMR de alta resolución de núcleos quadrupolar. Un método similar al MQMAS es la transición por satélite girando ángulo mágico (STMAS) NMR desarrollado en 2000.

Acoplamiento en J

El acoplamiento J o acoplamiento nuclear indirecto espín-espín (a veces también llamado acoplamiento "escalar" a pesar de que J es una cantidad tensor) describe la interacción de los espines nucleares a través de enlaces químicos. Los acoplamientos en J no siempre se resuelven en sólidos debido a los anchos de línea típicamente grandes observados en la RMN de estado sólido.

Otras interacciones

Las sustancias paramagnéticas están sujetas al desplazamiento de Caballero.

Formas de línea NMR de estado sólido

Patrón de polvo

Surge un patrón de polvo en muestras en polvo donde los cristalitos están orientados aleatoriamente en relación con el campo magnético de modo que todas las orientaciones moleculares estén presentes. En presencia de una interacción de anisotropía por desplazamiento químico, cada orientación con respecto al campo magnético da una frecuencia de resonancia diferente. Si hay suficientes cristalitos presentes, todas las diferentes contribuciones se superponen continuamente y conducen a un espectro uniforme.

Fijar el patrón en un experimento ssNMR estático da información sobre el tensor de blindaje, que a menudo se describen por el cambio químico isotrópico δ δ iso{displaystyle delta _{iso}}, el parámetro anisotropía cambio químico Δ Δ CS{displaystyle Delta _{CS}}, y el parámetro asimetría . . {displaystyle eta }.

Patrón dipolar

El patrón de polvo dipolar (también patrón de Pake) tiene una forma muy característica que surge cuando dos giros nucleares se unen en un cristalino. La división entre la máxima (los "hornos") del patrón es igual a la constante de acoplamiento dipolar d{displaystyle d}.:

d=▪ ▪ ()μ μ 04π π )1r3γ γ 1γ γ 2{displaystyle d=hbar left({frac {mu {0}{4pi}}derecha) {1}{3}}gamma _{1}gamma ¿Qué?

donde γ₁ y γ₂ son las proporciones giromagnéticas de los núcleos dipolar-coupled, r{displaystyle r} es la distancia internuclear, ▪ ▪ {displaystyle hbar } es la constante del Planck reducido, y μ μ 0{displaystyle mu _{0}} es la permeabilidad del vacío.

Técnicas esenciales de estado sólido

Giro de ángulo mágico

El giro de ángulo mágico (MAS) es una técnica que se utiliza habitualmente en RMN de estado sólido para producir líneas de RMN más estrechas y más intensas. Esto se logra girando la muestra en el ángulo mágico θ_m (aprox. 54,74°, donde cos²θ_m=1/3) con respecto a la dirección del campo magnético, que tiene el efecto de cancelar, al menos parcialmente, interacciones nucleares anisotrópicas como las interacciones dipolares, la anisotropía por desplazamiento químico y las cuadrupolares. Para lograr el promedio completo de estas interacciones, la muestra debe girarse a una velocidad que sea al menos mayor que la anisotropía máxima.

Hacer girar una muestra de polvo a una velocidad más lenta que el componente más grande de la anisotropía de desplazamiento químico da como resultado un promedio incompleto de la interacción y produce un conjunto de bandas laterales giratorias además de la línea isotrópica, centrada en el desplazamiento químico isotrópico. Las bandas laterales de giro son líneas nítidas separadas de la frecuencia isotrópica por un múltiplo de la velocidad de giro. Aunque las bandas laterales de giro se pueden usar para medir interacciones anisotrópicas, a menudo no son deseables y se eliminan girando la muestra más rápido o registrando los puntos de datos sincrónicamente con el período del rotor.

Polarización cruzada

La polarización cruzada (CP) es una secuencia de pulsos de RF fundamental y un componente básico en muchas RMN de estado sólido. Normalmente se utiliza para mejorar la señal de núcleos diluidos con una relación giromagnética baja (por ejemplo, ¹³
C, ¹⁵
N) mediante transferencia de magnetización desde núcleos abundantes con una alta relación giromagnética (por ejemplo, ¹
>H), o como método de edición espectral para obtener información espacial (p. ej. dirigido ¹⁵
>N→¹³
>CCP en espectroscopia de proteínas).

Para establecer la transferencia de magnetización, los pulsos RF ("puls de contacto") se aplican simultáneamente en ambos canales de frecuencia para producir B1{displaystyle B_{1} campos cuya fuerza cumple la condición Hartmann-Hahn:

γ γ HB1()1H)=γ γ XB1()X)± ± n⋅ ⋅ R{displaystyle gamma ¿Por qué? ¿Por qué? ¿Qué?

Donde γ γ {displaystyle gamma } son las ratios giromagneticas, ⋅ ⋅ R{displaystyle omega ¿Qué? es la tasa de spinning, y n{displaystyle n} es un entero. En la práctica, se optimiza experimentalmente la potencia del pulso, así como la longitud del pulso de contacto. El poder de un pulso de contacto suele ser rampado para lograr una transferencia de banda ancha y de magnetización más eficiente.

Desacoplamiento

Las interacciones de espín se pueden eliminar (desacoplar) para aumentar la resolución de los espectros de RMN durante la detección o para extender la vida útil de la magnetización nuclear.

El desacoplamiento heteronuclear se logra mediante irradiación de radiofrecuencia a la frecuencia del núcleo que se va a desacoplar, que suele ser ¹H. La irradiación puede ser continua (desacoplamiento de onda continua), o una serie de pulsos que amplían el rendimiento y el ancho de banda del desacoplamiento (TPPM, SPINAL-64, SWf-TPPM)

El desacoplamiento homonuclear se logra con secuencias de pulsos múltiples (WAHUHA, MREV-8, BR-24, BLEW-12, FSLG) o modulación de onda continua (DUMBO, eDUMBO). Las interacciones dipolares también se pueden eliminar con el giro de ángulo mágico. El MAS ultrarrápido (desde 60 kHz hasta más de 111 kHz) es una forma eficaz de promediar todas las interacciones dipolares, incluidas las interacciones dipolares homonucleares ¹H-¹H, lo que amplía la resolución de espectros ¹H y permite el uso de secuencias de pulsos utilizadas en RMN en estado de solución.

Espectroscopia de RMN de estado sólido avanzada

Doble Resonancia Eco Rotacional (REDOR)

El experimento de doble resonancia de eco rotacional (REDOR) es un tipo de experimento de reacoplamiento dipolar heteronuclear que permite reintroducir acoplamientos dipolares heteronucleares promediados por MAS. La reintroducción de dicho acoplamiento dipolar reduce la intensidad de la señal de RMN en comparación con un espectro de referencia en el que no se utiliza ningún pulso de desfase. REDOR se puede utilizar para medir distancias heteronucleares y es la base de los estudios cristalográficos de RMN.

MAS ultrarrápido para RMN 1H

Las fuertes interacciones dipolares homonucleares ¹H-¹H asociadas con líneas amplias de RMN y un corto tiempo de relajación T₂ relegan efectivamente al protón a la posición bimolecular. RMN. Los desarrollos recientes de una MAS más rápida y la reducción de las interacciones dipolares mediante deuteración han hecho que la ssNMR de protones sea tan versátil como en solución. Esto incluye la dispersión espectral en experimentos multidimensionales, así como restricciones y parámetros estructuralmente valiosos importantes para estudiar la dinámica de materiales.

La NMR ultrarrápida y el afilado asociado de las líneas NMR permiten que las secuencias de pulsos NMR capitalicen la detección proton para mejorar la sensibilidad de los experimentos en comparación con la detección directa de un sistema spin-1/2 (X). Tal factor de mejora . . {displaystyle xi } es dado por:

. . ∝ ∝ ()γ γ Hγ γ X)3/2()WXWH)1/2()QHQX)1/2{displaystyle xi propto left({frac {gamma ¿Qué? ¿Por qué? {W_{X} {W_{H}}}right)}{1/2}left({frac} {f} {f} {f}}}} {f}}}}}}}}}} {fnK} {f} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {dere}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}dere}dere}} {dere}dere}dere}dere}dere}dere}}}}}}dere}dere}dere}dere}dere}}dere}}}}}dere} {fnH} {fnK}}}derecha)} {fnMicrosoft}}}} {fnMicrosoft Sans Serif}

Donde γ γ {displaystyle gamma } son las ratios giromagneticas, W{displaystyle W. representan los anchos de la línea NMR, y Q{displaystyle Q} representan el factor de calidad de las resonancias de la sonda.

MAS-Polarización nuclear dinámica (MAS-DNP)

La polarización nuclear dinámica con giro de ángulo mágico (MAS-DNP) es una técnica que aumenta la sensibilidad de los experimentos de RMN en varios órdenes de magnitud. Implica la transferencia de una polarización electrónica muy alta desde electrones no apareados a núcleos cercanos. Esto se consigue a temperaturas criogénicas mediante una irradiación continua de microondas proveniente de un klistrón o un girotrón, con una frecuencia cercana a la correspondiente frecuencia de resonancia paramagnética electrónica (EPR).

El desarrollo en la instrumentación MAS-DNP, así como la mejora de los agentes polarizadores (TOTAPOL, AMUPOL, TEKPOL, etc.) para conseguir una transferencia de polarización más eficiente ha reducido drásticamente los tiempos de experimentos que permitían la observación de superficies, isótopos insensibles y experimentos multidimensionales con núcleos de baja abundancia natural y especies diluidas.

Aplicaciones

La espectroscopia de RMN de estado sólido sirve como una herramienta analítica eficaz en química biológica, orgánica e inorgánica debido a su gran parecido con los espectros de estado líquido, al tiempo que proporciona información adicional sobre las interacciones anisotrópicas.

Se utiliza para caracterizar la composición química, estructura supramolecular, movimientos locales, cinética y termodinámica, con la capacidad especial de asignar el comportamiento observado a sitios específicos en una molécula. También es crucial en el área de la química de superficies e interfases.

Biología y Medicina

Proteínas y bioagregados

La RMN de estado sólido se utiliza para estudiar proteínas insolubles y proteínas muy sensibles a su entorno, como proteínas de membrana y fibrillas de amiloide. Este último tema se relaciona con enfermedades de agregación de proteínas como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson. La espectroscopia de RMN de estado sólido complementa la espectroscopia de RMN de estado de solución y los métodos de difracción de haz (por ejemplo, cristalografía de rayos X, microscopía electrónica). A pesar de que a menudo requiere enriquecimiento isotópico, la ssNMR tiene la ventaja de que se requiere poca preparación de la muestra y puede usarse no solo en muestras secas o congeladas, sino también en muestras completamente hidratadas o tejidos nativos no cristalinos. La elucidación de la estructura de proteínas por RMN en estado sólido se ha basado tradicionalmente en cambios químicos secundarios y contactos espaciales entre núcleos.

Biomateriales

La RMN de estado sólido también se ha utilizado con éxito para estudiar biomateriales como huesos, dientes, cabello, seda, madera, así como virus, plantas, células, biopsias e incluso animales vivos.

Fármacos y sistemas de administración de fármacos

Otras aplicaciones de ssNMR se encuentran en el campo de la investigación farmacéutica.

En primer lugar, desempeña un papel fundamental en la caracterización de polimorfos de fármacos y dispersiones sólidas. Esto es útil para minimizar los riesgos relacionados con los cambios de forma en estado sólido: la determinación de la forma sólida de un ingrediente farmacéutico activo desempeña un papel fundamental para garantizar una biodisponibilidad y estabilidad controladas; Las alteraciones pueden afectar profundamente la eficacia de los medicamentos. El análisis de las interacciones a nivel molecular también facilita el desarrollo de formulaciones de dispersiones sólidas amorfas, con el objetivo de mejorar la solubilidad.

Además, la ssNMR ayuda a caracterizar materiales porosos adaptados a los sistemas de administración de fármacos, lo que permite a los científicos diseñar portadores y formulaciones que aumenten la eficacia de los fármacos.

Ciencia de los materiales

La RMN de estado sólido se ha utilizado con éxito para estudiar estructuras metalorgánicas (MOFS), baterías, superficies de materiales nanoporosos y polímeros.

Conservación del arte

NMR también se puede aplicar a la conservación del arte. Se pueden detectar diferentes sales y niveles de humedad mediante el uso de NMR de estado sólido. Sin embargo, los tamaños de muestreo recuperados de obras de arte para correr a través de estos grandes imanes de conducción normalmente exceden los niveles considerados aceptables. Las técnicas de NMR unilaterales utilizan imanes portátiles que se aplican al objeto de interés, superando la necesidad de muestreo.