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Ressonância Magnética Nuclear
RMN
Prof. Claudio José Magon
Laboratório de Física Avançada
2011
Condutividade ac
Uma analogia
E se quisermos explorar propriedades magnéticas ?
SUBSTÂNCIAS PARAMAGNÉTICAS
estas substâncias não produzem alteração na indutância;A MENOS QUE …..
EPR
NMR SUBSTÂNCIAS DIAMAGNÉTICAS
= Susceptibilidade Magnética = ’ - i ” = Fator de Preenchimento da bobinaL0 = Indutância da bobina vazia
Potência dissipada no resistor equivalente: 1''2 HP
No futuro veremos que se H1 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 ?
Um conceito importante: a teoria da “Resposta Linear”
A magnetização da amostra é a respostaao campo de excitação (campo magnético alternado)
)()()( 1 HM
Parte imaginária ” Absorção (ou componente em quadratura)
Parte real ’ Dispersão (ou componente em fase)
"' i
tiettHtM
tHtHse
)sen()()cos()()(
)cos()(:
"'1
11
Um exemplo conhecido: o oscilador harmônico
)()()()(2
2
tFtxMtxdtd
Mtxdtd
M o
ii o
o
o
22
22'
22" )()(
Mk
ondei o
o
222
1)(
'(t)
Tempo
"(t)
0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
"()
'(
TF
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 ? )
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
02
0
11L
CouCL
Uma modificação importante:
Alem disso: a sensibilidade da medida aumenta com oFATOR DE QUALIDADE
do circuito ressonante
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 :
fcc
2
se torna comparável ao comprimento dos fios, por exemplo:
mHz
segm
f
c
f
v7.1
10x26
/10x3x6.0
4
16.0
4
1
4
1
4 6
8
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 istoé a seguinte:
Z"
C1
Zo
Z"
Impedância do circuito de sintonia
O núcleo TAMBÉM é um dipolo magnético ! ! !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:
O núcleo atômico e o spin nuclear
MZX
M = massa atômica
Z = número atômico
Núcleons:
Z prótonsN = ( M-Z ) nêutrons
2713:Exemplo Al 13 prótons
14 nêutrons
2Zs
, 1 ,...,zl l l l
, 1 ,...,ZI I I I
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 Par Par Zero 12C6 e 16O8
Par Ímpar Ímpar Semi-inteiro 13C6 e 17O8
Ímpar Par Ímpar Semi-inteiro 19F9 e 31P15
Ímpar Ímpar Par Inteiro 2H1 e 14N7
Núcleos com spin ½
Núcleos com spin > ½
Isótopo SpinAbundância
natural (%)
Freqüência de Larmor (MHz),
10 T
1H 1/2 99,98 425,75
13C 1/2 1,108 104,07
Isótopo SpinAbundância
natural (%)
Freqüência de Larmor (MHz),
10 T
7Li 3/2 92,58 165,45
23Na 3/2 100 112,60
133Cs 7/2 100 56,05
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
EXISTEM DUAS TÉCNICAS PRINCIPAIS
(a mais utilizada em NMR)
(pouco utilizada em NMR)
Alguns Tipos de Equipamentos de RMN
Sistemas de Alto Campo Magnético
B0: 10 – 21 Tesla
Alguns Tipos de Equipamentos de RMN
Sistemas para Imagens Médicas B0: 0.5 – 2 Tesla
Alguns Tipos de Equipamentos de RMN
Sistemas de Baixo Campo (B0: 0.05x10-3 – 1 Tesla)
Aplicações de RMN - Relaxometria
Análise de Superfíciesgesso
madeira
fibra
Pintura
0 1 2 3 4
0
5
10
Inte
nsi
da
de
[a.u
.]profundidade [mm]
gesso madeira
fibra
pintura
Aplicações de RMN - Relaxometria
RMN no Campo Terrestre
Loop de ~100 m
Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN
Deslocamento Químico
BB iindi
o locB Freqüência de RMN:
BBB indi
loci
Campo experimentado pelo núcleo i :
BB iloci
)1(
(1 )i o i Depende das características da nuvem eletrônica do átomo/molécula
Freqüência de Ressonância depende do grupo químico
Deslocamento QuímicoDeslocamento Químico
Aplicações de RMN II – Espectroscopia por RMN
Estrutura Química do Material pode ser inferida à partir do espectro de RMN
Aplicações de RMN II – Espectroscopia por RMN
Deslocamento QuímicoDeslocamento Químico
RMN de 13C
24
N
C
Cl
N
O OCH2
CH3
1
2
3
45 6
8
910
131115
16 17
181920
21
22
23
71412
Polimorfismo
Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN
Outras InteraçõesOutras 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.
Aplicações de RMN – Espectroscopia por RMN
RMN de Proteínas
Desenvolvimento de ferramentas Desenvolvimento de ferramentas para Processamento da Informação Quântica via NMRpara Processamento da Informação Quântica via NMR
Dispositivos orgânicos: Computação Quântica
Moléculas Cristais líquidos
Prof. Horácio C. Panepucci
GERAÇÃO DE IMAGENS MÉDICASPOR RMN
t
, x
t
0B 0B
x
FID
t
FID
t t
0 xx B G x
Gradiente
de campoMagnético
xG
Imagens por RMNImagens por RMN
2D-FT2D-FT
Contraste por Densidade de 1H
Contraste por T2Contraste por T1
Neurinoma do nervo acústico
JoelhoAngiografiaAngiografia
3D3D
Outra aplicação importante: produzir prêmios Nobel !
O Espectrômetro de RMN
Diagrama de blocos do espectrômetro de RMNdo Laboratório Avançado
IFSC-USP
O que se mede?O que se mede?FID e EcoFID 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.
M t M t Tz 0 11 expO 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
O tempo de relaxação T2 depende de características do material (por exemplo, dinâmica lenta das moléculas, viscosidade)
M t M t t Ty xy cos exp0 2
i = Blocal(r,t)
Muito Obrigado ! ! !