La Risonanza Magnetica Nucleare: Principi e Applicazioni
La Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) si fonda sulla modificazione dei livelli energetici dei nuclei sotto l’influenza di un campo magnetico. Tale tecnica rivoluzionaria ha avuto particolare successo nei settori della chimica, della fisica e della medicina.
Poiché si basa su misurazioni di energie di perturbazione, spesso di dimensioni ridotte, la RMN fa uso di radiofrequenze come onde di perturbazione. Questo metodo è particolarmente efficace nello studio dei nuclei con numero di massa o numero atomico dispari, i quali presentano uno spin nucleare.
Ad esempio, isotopi come ^1H, ^13C, ^7N e ^17O possiedono appunto uno spin nucleare. La tecnica NMR consente lo studio di qualsiasi nucleo con spin, anche se prevalentemente viene impiegata per l’idrogeno (protio) o il carbonio 13 in campo chimico.
Un nucleo con spin può essere equiparato a una minuscola “bussola magnetica” in grado di generare un campo magnetico proprio. Quando un campo magnetico esterno viene applicato, il nucleo tende ad allineare il proprio momento magnetico in direzione del campo.
Il modulo del vettore corrispondente al momento nucleare di spin, indicato con I, è dato da √I(I+1) h/2π, dove I rappresenta il numero quantico di spin nucleare. Le direzioni che può assumere nello spazio sono quantizzate e le proiezioni rispetto a un asse di riferimento sono determinate dalla relazione MI h/2π.
Ad esempio, un protone ha un numero quantico di spin pari a 1/2, quindi presenta 2 possibili orientamenti rispetto al campo magnetico esterno: parallelo (↑) e antiparallelo (↓). In presenza di un campo magnetico, la differenza di energia tra queste due posizioni è inversamente proporzionale alla forza del campo magnetico esterno.
Per una data forza del campo magnetico, il protone può passare da un livello all’altro assorbendo o emettendo una quantità discreta di energia. La NMR richiede principalmente un campo magnetico esterno di intensità, costanza e omogeneità elevate. Durante l’esperimento, il campione è immerso nel campo di un elettromagnete e un campo di radiofrequenze viene applicato, generando una corrente elettrica attraverso una bobina avvolta intorno al campione.
Successivamente, il campo magnetico viene gradualmente aumentato e il salto del nucleo da un’orientazione all’altra è individuato tramite il voltaggio indotto, risultante dall’assorbimento di energia nel campo di radiofrequenza. Lo spettro NMR è quindi ottenuto registrando il voltaggio indotto in funzione della variazione del campo magnetico.
In pratica, un campo di 14000 gauss richiede una frequenza di 60 MHz, che corrisponde alla regione di radiofrequenza dello spettro elettromagnetico. L’area sotto il picco nello spettro dipende dal numero totale dei nuclei che hanno compiuto il salto.
Queste procedure e principi costituiscono le basi della Risonanza Magnetica Nucleare, un metodo di fondamentale importanza nel contesto della ricerca scientifica e medicina diagnostica.
