Analiza Chimică a Alimentelor prin RMN

1. Definitie RMN

Rezonanta magnetică nucleară, RMN, este o tehnică spectroscopică foarte des folosită în chimie, chimie-fizică, medicină, biofizică si inginerie nucleară pentru determinarea structurii diversilor compusi chimici, în biochimie pentru determinarea structurii proteinelor fiind singura tehnică destinată determinării structurii proteinelor în solutie.

Dintre toate metodele fizice, rezonanţa magnetică nucleară (RMN) este aceea care oferă cea mai bogată şi completă informaţie structurală asupra compuşilor organici. Spre deosebire de spectroscopia IR, în RMN practic toate semnalele sunt interpretabile relativ uşor, iar spre deosebire de spectroscopia electronică metoda RMN oferă mult mai multe informaţii. În timp ce spectroscopia IR sau cele de masă sunt prea bogate în informaţii, deci greu interpretabile, iar cele UV-VIZ prea sărace, spectrele RMN, atât cele 1H cât şi cele 13C, conţin exact informaţia necesară, care poate fi pusă în legătură directă cu formula structurară a substanţei.

Dezvoltată prin analogie cu rezonanţa electronică de spin, rezonanţa magnetică nucleară de înaltă rezoluţie, aplicată iniţial pentru studiul protonilor şi extinsă ulterior pentru o serie de alţi nuclizi: 13C, 19F, 31P, 17O etc., a devenit în prezent cea mai importantă metodă de studiu a structurii, configuraţiei compuşilor organici.

Rezonanţa este fenomenul de oscilaţie cu aceeaşi frecvenţă a doi oscilatori care transferă energie. În acest caz oscilatorii se numesc cuplaţi.

Fenomenul rezonanţei magnetice nucleare se bazează pe proprietatea nucleelor de a prezenta moment magnetic. Nu toate nucleele însă posedă moment magnetic. Se pretează la o rezonanţă magnetică acele nuclee care au moment magnetic.

Practic se poate obţine rezonanţa magnetică nucleară prin aplicarea unui câmp electromagnetic de frecvenţă variabilă şi observarea frecvenţei la care nucleele magnetice intră în rezonanţă cu câmpul indus.

Nucleele magnetice posedă un moment unghiular de spin mω care are o valoare cuantificată după formula:

mω =)1I(+I•π2h.

unde I este numărul cuantic de spin (numit simplu spin) poate lua valorile I = 0, ½, 1.

Valoarea numărului cuantic de spin I dă numărul de orientări (stări) ale momentului magnetic al nucleului faţă de o axă oarecare nI:

nI = 2•I + 1

Fiecare orientare a momentului magnetic se numeşte componentă a momentului unghiular.

Valorile orientărilor momentului magnetic al nucleului sunt notate cu mI (numite stări de spin sau stări) şi sunt date de relaţia:

mI = I, I-1, , -I

iar valorile componentelor momentului unghiular sunt:

ωI = mI•π2h

Dintre elementele chimice, elemente cu număr cuantic de spin I = ½ sunt 1H, 13C, 19F, 31P. 14N are I = 1, iar 12C şi 16O au numărul cuantic de spin I = 0.

Starea cu mI = ½ se notează cu α sau ↑ în timp ce starea cu mI = - ½ se notează cu β sau ↓.

Componenta momentului magnetic pe axa Oz, notată μz este proporţională cu componenta momentului unghiular de spin nuclear pe această axă:

μz = γ•mI•π2h

unde γ este un coeficient de proporţionalitate numit raport giromagnetic al nucleului. Acesta depinde strict de tipul nucleului considerat şi valorile sale pentru câteva nuclee.

De la bun început trebuie specificat faptul că în RMN experimentele se realizează pe nucleii atomilor şi nu pe electronii acestora, deci informaţia furnizată se refera la poziţionarea spaţială a acestor nuclei în compusul chimic studiat. Aceşti nuclei au o proprietate intrinsecă numită spin dar pentru a explica fenomenologia care se ascunde în spatele acestei tehnici trebuie să ţinem cont de următoarele considerente fizice:

- Orice sarcină electrică în mişcare generează în jurul său un câmp magnetic. Acelaşi lucru se întâmplă şi în cazul nucleilor (sarcini electrice pozitive) când, datorită rotaţiei în jurul propriilor axe, se generează un câmp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic μ, proporţional şi de sens opus cu spinul nucleului I. În RMN nucleii de interes sunt acei nuclei care au valoarea I=1/2 (1H, 13C, 15N, 19F, 31P).

- Dacă aşezăm un nucleu atomic într-un câmp magnetic extern Bo, atunci vectorul moment magnetic va putea fi paralel (I=+1/2) sau antiparalel (I=-1/2) cu direcţia acestui câmp. Trebuie specificat faptul că energia sistemului antiparalel este mai mare decât energia sistemului paralel, iar această diferenţă este direct proporţională cu valoarea câmpului Bo (ΔE=μB/I).

- Dacă iradiem nucleul cu un câmp de radiofrecvenţe RF pe o direcţie transversală câmpului constant Bo, acest câmp transportând o energie egală cu ΔE, atunci nucleul (spinul) se va excita trecând din starea de energie +1/2 în starea de energie –1/2 caracterizată prin energie mai mare.

- Dar cum în condiţii naturale, orice sistem fizic tinde spre o stare de energie cât mai mică acest nucleu se va relaxa revenind la starea +1/2 şi emiţând un alt camp de radiofrecvenţe din a cărui parametri (frecvenţă) se obţin informaţii despre natura nucleului (poziţia în moleculă, respectiv tipul).

2. Principiul metodei

Instalatia experimentală RMN trebuie să realizeze acest acord între câmp si frecventă, permitând în acelaşi timp declararea absorbtiei (extrem de mici) de energie care are loc în momentul “rezonantei”.

Realizarea experientelor de RMN se poate face fie în aparate de baleiaj în câmp, lucrând la frecventă fixă, cum se practică de obicei, fie în aparate cu baleiaj de frecventă, la câmp magnetic fix.