Resonancia magnética nuclear de sólidos aplicada a la caracterización de arcillas (página 2)

Figura 2.g. Los electrones en un
campo magnético precesan en la dirección del campo
magnético y crean un campo magnético de
dirección opuesta que apantalla el núcleo. El campo
magnético Beff que siente el núcleo se ha reducido
[3].

La dependencia del desplazamiento químico o
anisotropía con la orientación respecto al campo B0
puede ser muy significativa. La CSA resulta del hecho de que los
átomos en las moléculas raramente poseen una
distribución de electrones con simetría
esférica; en su lugar, la densidad electrónica
tiene más bien forma de elipsoide. El grado en el que la
densidad de electrones afecta la frecuencia de resonancia de un
núcleo depende de la orientación de la nube de
electrones (y por lo tanto de la molécula) con respecto a
B0. De esta manera, el apantallamiento asociado con un
núcleo ya no puede ser descrito por un número, sino
que se precisa un tensor de segundo rango representado por una
matriz 3×3. Es posible definir s con respecto a un sistema de
ejes, denominado el sistema principal de ejes, elegido de manera
que el tensor s sea diagonal.

Donde z es el eje z del sistema de ejes del laboratorio.
Hay que destacar que sólo es necesaria la componente zz
del tensor de apantallamiento. La interacción de
apantallamiento no genera campos oscilatorios perpendiculares a
B0, que podrían afectar el sistema de espines.

Por lo tanto esta interacción es
heterogénea; es independiente del tiempo. La
cuestión es generar el tensor de apantallamiento en el
sistema de ejes de laboratorio a partir del sistema de ejes
principales. Para ello hay que reescribir szzlab en
función de los valores principales del tensor
apantallamiento y la orientación del sistema de ejes
principales con respecto a los del laboratorio.

En una muestra en polvo, están presentes todas
las orientaciones moleculares.

Cada orientación molecular diferente implica una
orientación diferente de los ejes principales con respecto
a B0, y por lo tanto según la ecuación (17)
diferentes desplazamientos. Las líneas producidas por las
diferentes orientaciones solapan y forman una línea
continua produciendo un espectro cubriendo un rango de
frecuencias ancho, característico de muestras en polvo
(Figura 2.h, parte A). La intensidad resultante a cualquier
frecuencia dada en el diagrama en polvo es proporcional al
número de orientaciones moleculares que dan ese
desplazamiento químico. Esto significa que la forma de
línea de muestras en polvo es muy distinta, dependiendo de
la simetría del tensor de apantallamiento, que
además depende de la simetría del sitio donde se
encuentra el núcleo.

Figura 2.h. Efecto de
la anisotropía del desplazamiento químico en la
forma de los espectros de RMN de muestras en polvo: A) en
estático, y B) girando al ángulo mágico a
distintas velocidades [1].

Las discontinuidades en la señal dan los valores
principales del tensor apantallamiento, que por lo tanto, se
pueden leer directamente del espectro.

En los sólidos no es posible mecánicamente
simular una orientación al azar, ya que implicaría
el movimiento en torno a diferentes ejes a velocidades altas. Sin
embargo, también es posible eliminar el término
anisótropo del Hamiltoniano del desplazamiento
químico girando la muestra alrededor de un eje elegido
convenientemente [1].

• Escala de las abscisas en los espectros de
  RMN.

La determinación de la intensidad absoluta del
campo magnético con la exactitud necesaria para las
medidas de RMN de alta resolución es difícil o
imposible. Por otra parte, es factible determinar la magnitud de
un cambio en la intensidad del campo con una exactitud
de la décima de miligauss o incluso mejor. Por tanto, es
conveniente establecer la posición de los picos de
absorción de resonancia con relación al pico de
resonancia de una sustancia patrón interno que pueda ser
medida durante el experimento. El uso de un patrón interno
tiene también la ventaja de que los desplazamientos
químicos se puede establecer independientemente de la
frecuencia del oscilador.

El patrón interno que se utiliza depende del
núcleo que se estudia y del disolvente empleado. El
compuesto más utilizado en el estudio del protón
(1H) es el tetrametilsilano (TMS), (CH3)4Si, que define el cero
en la escala de partes por millón (ppm).

En este compuesto todos los protones son
idénticos, y la constante de apantallamiento para el TMS
es más grande que para la mayoría de los protones.
Así, este compuesto proporciona un solo pico agudo a un
campo aplicado intenso, bien separado de la mayoría de los
picos de interés del espectro [9].

El TMS es ampliamente usado también como
patrón para estudios de 13C y 29Si, dado que la constante
de apantallamiento del TMS es bastante grande y los picos de
interés aparecen bien separados de este.

Sin embargo la aplicación de RMN para el estudio
de otro tipo de compuestos de carácter inorgánico
en estado sólido, requiere de la utilización de
otra serie de compuestos de referencia, ya sea como patrón
interno o externo.

A continuación se muestra una tabla 2.3 con
algunos compuestos usados como referencia, para diferentes
núcleos medidos por RMN, (algunos de ellos son solo usados
en RMN de líquidos)

Tabla 2.3. Sustancias de referencia
en RMN de solidos inorgánicos.

Fuente: MAN, Pascal P. Solid-state NMR on
quadrupolar nuclei applied to heterogeneous catalysts. Instituto
de materiales de Paris. http://www.pascal-man.com/index.html.
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Interacciones cuadrupolares

El término cuadrupolar aparece por la
interacción del espín nuclear con el gradiente de
campo eléctrico no esférico de la red en la
posición en la que se encuentra el núcleo. Una
única señal debido a un único tipo de
átomo en un sitio cristalográfico concreto puede
dar lugar a varias bandas en el espectro RMN [4].

La mayoría de los núcleos activos en el
sistema periódico poseen un espín nuclear
semientero I>1/2, es decir I = 3/2, 5/2, 7/2 y 9/2, que como
los núcleos con espín I =1/2, interaccionan con el
campo magnético externo y con los campos locales generados
por el apantallamiento químico y el momento
magnético de otros núcleos. Pero, además,
los núcleos con I>1/2 se caracterizan porque poseen una
forma no esférica asociada con un momento cuadrupolar
nuclear, que interacciona con los gradientes de campo
eléctricos (EFG del inglés "electric field
gradient") originados por distribución asimétrica
de las cargas que los rodean.

La figura 2.i muestra la distribución de niveles
de energía para un espín nuclear I=3/2. Para los
núcleos cuadrupolares, los valores permitidos del
número de espín nuclear mI ya no son
únicamente +1/2 y +1/2; en general tendrán (2I+1)
estados de espín, correspondientes a los números
cuánticos mI= +I….-I, y por la regla de
transición ?mI = ±1, 2I transiciones. Cuando el
núcleo se encuentra en un entorno de coordinación
muy simétrico (centro simétrico), no existe
acoplamiento cuadrupolar, los niveles de energía
están equidistantes y observaríamos una
única transición.

Figura 2.i. Efecto de
los acoplamientos cuadrupolares de primer y segundo orden para un
espín nuclear I=3/2 [1].

En la mayoría de los casos, los acoplamientos
cuadrupolares se pueden tratar como perturbaciones menores de la
interacción Zeeman. Debido a la magnitud del acoplamiento
cuadrupolar, no son suficientes las perturbaciones de primer
orden, y hay que incorporar interacciones cuadrupolares de
segundo orden (ver figura 2.i).

Las correcciones cuadrupolares de primer orden a los
niveles de Energía Zeeman vienen dadas por la siguiente
expresión:

Las interacciones cuadrupolares de primer orden se
promedian girando la muestra al ángulo mágico, y
las resonancias anchas de las transiciones satélites
provocan la aparición de bandas de
rotación.

Capítulo 3

Métodos de
RMN

ESPECTROSCOPÍA RMN CON ONDA CONTINUA
(CW)

Desde sus comienzos hasta finales de los 60, la
espectroscopía de RMN utilizó una técnica
conocida como espectroscopía de onda continua (CW). La
manera de registrar un espectro de RMN en el modo de CW era, bien
mantener constante el campo magnético e ir haciendo un
barrido de frecuencias con un campo oscilante, o bien, lo que era
usado más a menudo, se mantenía constante la
frecuencia del campo oscilante, y se iba variando la intensidad
del campo magnético para encontrar las transiciones (picos
del espectro). En la RMN de CW las señales del espectro se
registran como señales en resonancia.

La espectroscopía CW está limitada por su
baja sensibilidad, ya que cada señal se registra una sola
vez por cada barrido y la técnica de resonancia
magnética nuclear ya es de por sí poco sensible;
esto quiere decir que la técnica sufre de una baja
relación señal-ruido. Afortunadamente, en RMN es
posible mejorar la relación señal-ruido mediante el
promediado de señal. El promediado de señal
consiste en repetir la adquisición del experimento e ir
sumando los espectros que se obtienen. De esta manera, las zonas
del espectro en que existen señales se suman de manera
constructiva, mientras que, por su parte, las zonas en que hay
ruido, por su carácter aleatorio, se acumula más
lentamente que la señal. Mediante el promediado de
señal se incrementa la relación señal-ruido
en un valor que es la raíz cuadrada del número de
espectros que se han acumulado. Esta relación se cumple
con espectros de RMN en los que intervienen un sólo tipo
de núcleos, por ejemplo, sólo 1H, 13C, etc.,
también llamados espectros homonucleares [8].

TRANSFORMADA DE FOURIER (FT)

Es una operación matemática que
también realiza digitalmente el ordenador, proporciona un
espectro con el mismo formato y la misma información que
si se hubiera obtenido por onda continua, pero en mucho menos
tiempo. Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y
convierte dichos datos en intensidad respecto a frecuencia, esto
es lo que se conoce con el nombre de transformada de Fourier
(FT-RMN). Un espectro FT-RMN puede registrarse en 2 segundos
utilizando menos de 5 mg de muestra [2].

La aplicación de un pulso policromático en
una región estrecha de la banda de radiofrecuencias (MHz)
afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en esa
región.

Un pulso policromático con una anchura en
frecuencia de unos pocos kHz puede llegar a excitar
simúltaneamente sólo a los espines nucleares de un
mismo tipo de núcleo atómico dentro de una
molécula, por ejemplo, todos los núcleos de
hidrógeno (1H). Antes del pulso el vector de
polarización neta de cada uno de los espines nucleares se
encuentra en situación de equilibrio alineado en la
dirección del campo magnético. Durante el tiempo
que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo
magnético en una dirección perpendicular al campo
principal del imán y el vector polarización realiza
un determinado movimiento de precesión. Tras cesar el
pulso, el vector polarización de todos los espines
afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del
campo magnético principal. En este momento, los espines,
comportándose como pequeños imanes polarizados,
comienzan a precesionar con su frecuencia característica
en torno al campo magnético externo, induciendo una
pequeña corriente oscilante de RF en una bobina receptora
situada en las inmediaciones de la muestra. A medida que los
núcleos van regresando poco a poco a la situación
inicial de equilibrio alineados con en el campo magnético
principal, la señal detectada va disminuyendo de
intensidad hasta hacerse cero. Esta caída de la
señal se conoce como caída libre de la
inducción (Free Induction Decay, FID) y da lugar al
espectro de RMN.

La FID es una onda que contiene todas las señales
del espectro en una forma que es dependiente del tiempo. Esta
onda puede convertirse en un espectro de señales en
función de su frecuencia. Para ello se utiliza una
función matemática conocida como Transformada de
Fourier. El resultado es lo que se conoce como un espectro de RMN
(espectro de frecuencias) [8].

Figura 3.a. La
señal que se detecta FID (Free Induction Decay) es una
señal oscilante que contiene todas las señales del
espectro y decae hasta hacerse cero [8].

Así, durante los diez minutos habitualmente
necesarios para el registro de un único espectro por onda
continua, el método de pulsos puede sumar un total de 600
FIDs, pero además, la señal de cada una de estas
FIDs es mucho más intensa que la de un espectro
convencional de onda continua para la misma concentración
de muestra.

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE GIRO
AL ÁNGULO MÁGICO (RMN-MAS).

El giro al ángulo mágico, o MAS, se
utiliza rutinariamente en la mayoría de los experimentos
de RMN de estado sólido. El objetivo fundamental es
eliminar la anisotropía del desplazamiento químico,
y ayudar en la anulación de las interacciones dipolares
heteronucleares. Además, también se utiliza para
estrechar las líneas de núcleos cuadrupolares y
disminuir los efectos del acoplamiento dipolar
homonuclear.

Como hemos visto en las secciones anteriores, cuando el
vector internuclear forma un ángulo
?=54.74º, el ángulo mágico, con el
campo estático, el término (3cos2?-1)=0 y las
interacciones dipolares heteronucleares se anulan. Asimismo,
también se anulan la anisotropía de desplazamiento
químico cuando el eje principal z de la molécula
forma el ángulo mágico con el campo estático
B0 [1].

Figura 3.b.
Rotación de la muestra inclinada en un ángulo ?
respecto a la dirección del campo [4].

Rotando una muestra policristalina rápidamente se
hace que el eje principal del elipsoide que representa la CSA se
alinee con el eje de rotación; el efecto es eliminar la
anisotropía. Así pues, si la velocidad de
rotación es suficientemente rápida comparada con la
anisotropía de la interacción, ésta se
promedia a cero. Cuando una muestra gira, la orientación
de los cristales varía, y por lo tanto los valores del CSA
de todos los cristalitos se hacen dependientes del
tiempo.

Para que el giro al ángulo mágico reduzca
un espectro de una muestra en polvo a una única
línea al desplazamiento químico isótropo, la
velocidad de giro de la muestra debe ser rápida comparada
con la interacción anisótropa; un factor de
alrededor 3 o 4. Cuando la velocidad de giro es menor, el
espectro contiene unas líneas finas que aparecen a
números enteros de la velocidad de rotación con
respecto a la señal isótropa, y que se denominan
bandas de rotación (Figura 2.h, parte B). La línea
"isótropa" no es necesariamente la más intensa,
pero se puede identificar porque es la única que no
modifica su posición cuando se varía la velocidad
de giro de la muestra. Las bandas de rotación siempre
aparecen en fase en un sólido perfecto, pero pueden
aparecer también en antifase cuando existe
orientación preferente de los cristales en la muestra. Hay
que destacar que la anisotropía de desplazamiento
químico en unidades de frecuencia es proporcional a B0, y
por lo tanto, al trabajar a campos mayores, se hace más
difícil eliminar esta anisotropía (se requieren
mayores velocidades de giro) [1].

Figura 3.c. Espectro
de RMN de 31P del óxido de trifenilfosfina en estado
sólido, a diferentes velocidades de giro bajo el
ángulo mágico. (a) Sin giro; (b) giro a 1.5 kHz;
(c) giro a 3.0 kHz

A partir de las ecuaciones que describen el acoplamiento
dipolar homonuclear, se desprende que esta interacción
también depende del factor geométrico (3cos2?-1), y
por los tanto se anula con la rotación de la muestra al
ángulo mágico, si la velocidad es rápida
comparada con la anchura de línea producida por el
acoplamiento dipolar homonuclear.

Actualmente, existen sondas comerciales que permite
alcanzar velocidades de 30 kHz, y es posible girar la muestra
hasta 50 kHz. Estas velocidades son suficientemente
rápidas para producir espectros de alta resolución
de 1H en muchos sólidos orgánicos cuyo
ensanchamiento de línea por acoplamiento dipolar
homonuclear, normalmente del orden de 20-50 kHz.

A velocidades de rotación mucho menores que la
anchura dipolar homonuclear, el giro al ángulo
mágico tiene muy poco efecto en el espectro de RMN, y la
señal ancha que se observaría en ausencia de giro
al ángulo mágico se altera muy poco. A velocidades
de giro intermedias (entre la cuarta parte y la mitad de la
anchura de línea dipolar), aparecen líneas de
rotación, pero presentan un carácter muy diferente
a las que aparecen debido a la eliminación incompleta de
la anisotropía de desplazamiento químico o las
interacciones dipolares heteronucleares; las primeras son anchas
y las segundas estrechas. En el caso de acoplamiento dipolar
homonuclear el estado del sistema de espines cambia en la escala
de tiempo de rotación de la muestra, lo que impide que se
promedie completamente la interacción dipolar en el
sistema de espines [1].

Figura 3.d. Efecto
del MAS para el ejemplo específico de un acoplamiento
dipolar entre dos espines. Los cuatro conos representan las
diversas posiciones adoptadas en el transcurso de un
período de rotor para cuatro diferentes orientaciones del
vector internuclear en relación con el eje del rotor. La
flecha de dos puntas representa una posición arbitraria de
uno de los vectores internucleares [8].

POLARIZACIÓN CRUZADA (CP)

La detección directa de núcleos diluidos
como el 13C, el 29Si o el 15N conduce normalmente a una baja
polarización de espín por su escasa abundancia
isotópica y su baja ?, y por lo tanto, a una
relación señal/ruido baja. Además, los
tiempos de relajación son largos debido a la ausencia de
interacciones dipolares homonucleares asociados a núcleos
poco abundantes. Para aumentar la intensidad de la señal
de núcleos escasos como el 13C y el 15N, muchos
experimentos de RMN de estado sólido incluyen la
transferencia de polarización de núcleos abundantes
(normalmente 1H) utilizando una técnica que se denomina
polarización cruzada (CP) que someramente consiste en una
secuencia de pulsos desacoplando el protón del
núcleo que se quiere estudiar.

La técnica CP se basa en la tendencia de la
magnetización para fluir de núcleos muy polarizados
a núcleos menos polarizados cuando los dos se ponen en
contacto. En el caso de núcleos diferentes se requiere la
aplicación de dos campos de radiofrecuencia (RF), uno
sintonizado para los espines I, y el otro para los espines S
[1].

La polarización cruzada se utiliza normalmente
combinada con el MAS (CP-MAS)

Figura 3.e. Espectros
31P CP-MAS de los isómeros plano cuadrado (a)
cis-[PtCl2(PPh3)2] y (b) trans-[PtCl2(PPh3)2]. Como se puede
observar, los espectros de los isómeros cis y trans son
bastante diferentes por lo que se pueden identificar con
facilidad [4].

RMN MULTIDIMENSIONAL CON TRANSFORMADA DE
FOURIER

La posibilidad de excitar la muestra con uno o
más pulsos de radiofrecuencia (RF), cada uno de ellos
aplicado con una potencia, duración, frecuencia, forma y
fase particulares, e introducirlos en momentos específicos
de tiempo durante el experimento de RMN, generalmente antes de
que el sistema haya regresado al equilibrio por
relajación, permite diseñar toda una gama de
secuencias de pulsos de las que se puede extraer
información molecular muy variada.

Una secuencia de pulsos es una
distribución en el tiempo de alguno o varios de los
siguientes elementos: i) un cierto número de pulsos de RF
que afecten a uno o más tipos de núcleos, ii)
tiempos de espera en los que no se hace nada sino esperar a que
el sistema evolucione de una determinada forma. Estos tiempos de
espera pueden ser fijos o bien incrementables si su
duración se va aumentando a medida que se repite el
experimento. iii) gradientes de campo magnético y iv) una
etapa final en la que se adquiere la FID.

En un experimento de RMN multidimensional la secuencia
de pulsos debe constar de al menos dos pulsos y éstos
deben separados por un periodo de espera incrementable. La
secuencia de pulsos se repite un número de veces
adquiriéndose una FID en cada ocasión. La fase de
alguno de los pulsos puede alterarse en cada repetición
así como incrementarse la duración de uno o
más tiempos de espera variables. Si la secuencia de pulsos
tiene un tiempo de espera incrementable el experimento
tendrá dos dimensiones, si tiene dos será de tres
dimensiones, si tiene tres el experimento será de cuatro
dimensiones. Aunque en teoría no existe límite en
el número de dimensiones de un experimento,
experimentalmente hay limitaciones impuestas por la consiguiente
pérdida de señal por relajación que conlleva
la detección de las distintas dimensiones. Los tiempos de
registro de los experimentos de RMN multidimensional se pueden
acortar drásticamente con las técnicas
rápidas de RMN desarrolladas en la presente
década.

Los experimentos multidimensionales se pueden clasificar
en dos tipos principales:

Experimentos de correlación homonuclear: Son
aquellos en los que todas las dimensiones corresponden al mismo
núcleo. Ejemplos: COSY (COrrelationSpectroscopY), TOCSY
(TOtal Correlation SpectroscopY), NOESY (Nuclear Overhauser
Effect SpectroscopY).

Experimentos de correlación heteronuclear: En
este experimentos se obtienen espectros cuyas dimensiones
pertenecen a diferentes núcleos. Ejemplos: HMQC
(Heteronuclear Multiple Quantum Correlation), HSQC (Heteronuclear
Simple Quantum Correlation), HMBC (Heteronuclear Multiple Bond
Correlation), HOESY (Heteronuclear Overhauser Effect
SpectroscopY).

Grosso modo, las interacciones que pueden detectarse
por RMN se pueden clasisficar en dos tipos:

• Las interacciones a través de
  enlaces que se basan en el acoplamiento
  escalar

• Las interacciones a través del
  espacio que se basan en el acoplamiento dipolar. En el
  caso de muestras en disolución, el acoplamiento
  dipolar se manifiesta como efecto Overhauser nuclear que
  permite determinar la distancia entre los átomos
  [6].

Capítulo 4

Aspectos
instrumentales de la RMN de sólidos

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL
EQUIPO

Un espectrómetro de RMN está compuesto por
diferentes partes que se encuentran representadas en el diagrama
de bloques de la figura 4.a. Las funciones básicas del
espectrómetro se podrían resumir en tres puntos. En
primer lugar, la generación de las radiofrecuencias
(RF) adecuadas en amplitud, frecuencia y fase. En
segundo lugar, la dirección de estas RF a la
muestra en el momento adecuado con un programador de pulsos, y
finalmente la detección de la respuesta del sistema de una
forma eficaz. Para ello, básicamente es necesaria la
presencia de un imán, una bobina y un sistema de
transmisión-recepción de radiofrecuencias todo ello
bajo el control de un ordenador. Estas partes se encuentran
representadas en negrita en el diagrama y están conectadas
por líneas gruesas. Lo demás, son accesorios del
espectrómetro.

Un espectrómetro moderno está controlado
por un ordenador central (de adquisición) que tiene una
capacidad de respuesta muy corta y que a su vez está
recibiendo las órdenes que el usuario o espectroscopista
manda a través de una estación de trabajo que puede
operar en modo multiusuario. La comunicación
electrónica entre esta estación de trabajo y el
ordenador de adquisición tiene que ser de alta velocidad.
El ordenador de adquisición está dedicado
exclusivamente a esta tarea y ejecuta independientemente y sin
interrupción alguna, los programas de adquisición
definidos por el operador a través de una serie de
parámetros como son: número de pulsos, potencias,
tiempos de espera, intensidad de gradientes de campo,
número de acumulaciones, etc. Para ello, da las
órdenes pertinentes a los distintos componentes
electrónicos para realizar operaciones como: cambiar la
frecuencia de un pulso, cambiar la potencia del mismo, mandar al
receptor iniciar la recepción de la señal,
etc.

Figura 4.a. Diagrama de bloques de
un espectrómetro de RMN de pulsos de alta
resolución. Las partes esenciales del espectrómetro
están en líneas gruesas. Las flechas indican el
camino de la radiofrecuencia desde el ordenador del
espectrómetro a la sonda y el regreso de la señal
de RMN al ordenador donde se almacena. Desde el preamplificador,
tanto la RF del canal de observación como la señal
de RMN detectada van por el mismo cable. Las partes en
línea fina representan funciones auxiliares del
espectrómetro. A partir de la detección en
cuadratura se generan dos señales moduladas en seno y
coseno respectivamente y darán lugar a la parte real e
imaginaria de la señal [7].

A partir del esquema presentado anteriormente, los pasos
esenciales para obtener un espectro de RMN, y que nos van a
servir para entender cómo funciona el
espectrómetro, están representados por la
dirección de las flechas que salen de las partes
esenciales. Estas flechas indican el camino de la
información desde el ordenador central del
espectrómetro a la sonda que contiene la bobina que recoge
la señal y la vuelta al ordenador donde la señal de
RMN se almacena. En primer lugar, el ordenador manda una orden al
control de RF para poner las frecuencias requeridas en
el sintetizador y mandar los pulsos de RF desde el
transmisor a los diferentes amplificadores, de acuerdo a los
requerimientos experimentales definidos previamente. A partir de
los datos almacenados digitalmente, el transmisor prepara los
pulsos con las formas precisas, las fases, la longitud y la
potencia antes de mandarlos a los amplificadores lineales. La RMN
moderna precisa que todo esto se lleve a cabo en unos pocos
microsegundos, lo que dura la ejecución de una secuencia
de pulsos. Todo el sistema en el transmisor y los amplificadores
tiene que ser lineal, de lo contrario, los pulsos con formas no
rectangulares estarán distorsionados y no actuarán
en la forma esperada. A través de los amplificadores, los
pulsos de RF llegan a la bobina de la sonda de manera
que la RF se dirige a la muestra colocada en la parte
superior de la sonda lo más cerca posible de la
bobina.

Dado que, por una serie de motivos que se comentaran
más adelante, es conveniente usar la misma bobina para
mandar la RF de observación que para recibir la
débil respuesta de los núcleos, los pulsos de
RF tienen que pasar a través del preamplificador.
En el camino de vuelta, la señal es recogida por la bobina
y llega al preamplificador sin atenuar o con mínima
atenuación. Luego esta señal sale del
preamplificador con la frecuencia de RMN amplificada lo
suficiente para preservar la relación S/N en las
subsiguientes etapas de amplificación y mezcla. La
señal no puede ser digitalizada a la frecuencia de RMN y
debe ser transformada a un rango de frecuencias de unas pocas
decenas de kHz. Para ello se disponen de digitalizadores con un
rango dinámico amplio. Esta reducción de frecuencia
se produce en varias etapas a través de una frecuencia
intermedia y es posteriormente digitalizada en el convertidor
analógico digital (CAD) que muestrea la señal en
puntos discretos y la convierte en una serie de números.
Finalmente, la señal se filtra y se manda al ordenador
donde los diferentes barridos se suman y los datos así
obtenidos pueden finalmente procesarse.

Adicionalmente a la tarea principal de obtener espectros
de RMN, el espectrómetro lleva a cabo un montón de
funciones auxiliares. Una de ellas es mantener un ajuste muy
bueno de la homogeneidad del campo magnético sobre cada
muestra concreta. Para ello se dispone de bobinas de homogeneidad
o bobinas de shim. Por otra parte, hay que mantener estable la
relación campo/frecuencia permanentemente, por lo que hay
que monitorizar una señal de referencia (deuterio).
Asimismo, también es preciso mantener estable la
temperatura del experimento, poder usar conjuntamente con la
radiación RF los gradientes de campo magnético,
etc. Todas estas tareas se coordinan también a
través del ordenador del espectrómetro
[7].

LOS COMPONENTES DE LAS RUTAS DE LA
RADIOFRECUENCIA.

El camino de la
transmisión.

Tal como queda representado en la figura 4.a, este
camino empieza en el sintetizador de frecuencias y termina en la
bobina de RF de la sonda. El papel del sintetizador es
proporcionar la frecuencia base para el transmisor. Por razones
obvias de estabilidad, todas las radiofrecuencias del
espectrómetro se generan a partir de un oscilador
único mediante multiplicaciones, sumas, o restas de esta
frecuencia patrón. El transmisor funciona de forma
continua pero el paso posterior de la RF está
controlado por el programador de pulsos, controlado a su vez por
el ordenador de adquisición. Del transmisor sale
finalmente la frecuencia concreta, la duración y la fase
de la radiación que se ha programado. La precisión
de cada una de estas tareas es muy alta ya que la frecuencia
puede ser definida en pasos discretos de al menos 0.1 Hz, la fase
en pasos de 1º o menores y la duración de los pulsos
en fracciones de 50 ns o menores. Antes de entrar en la etapa
final de amplificación, el pulso debe atenuarse para
conseguir la potencia preestablecida en el experimento. A partir
de la potencia máxima, la RF puede ser atenuada
en un rango también muy amplio, típicamente del
orden de 80 dB o más, en pasos de 0.1 dB o menores.
Normalmente la potencia a la salida del transmisor es cercana a 1
mW y esta RF debe ser atenuada antes de amplificarse
hasta 50-1000 W. La función del atenuador es controlar
exactamente la potencia de salida del canal de radiofrecuencia.
Desde el amplificador lineal de potencia, el pulso viaja a la
sonda estableciéndose un campo magnético oscilante
linealmente polarizado 2B1 a lo largo de toda la
muestra.

Normalmente se precisan dos tipos de amplificadores,
dado que técnicamente es difícil diseñar uno
que cubra satisfactoriamente todo el rango de frecuencias. Un
tipo se utiliza para los núcleos de alto valor de ? tales
como 1H y 19F, mientas que los del otro tipo se utilizan para los
núcleos de bajo valor de ? como 31P, 13C y 15N.
Típicamente las potencias de los amplificadores de
protón son de 50-100 W. Para la mayoría de los
heteronúcleos con bajo valor de ?, es preciso disponer de
amplificadores de alta potencia, normalmente en el rango de
300-500 W con el fin de evitar pulsos excesivamente largos que
pueden tener perfiles de excitación no convenientes. Todas
las etapas del camino de transmisión deben estar bien
linealizadas. La linealización tiene la ventaja de que las
potencias de todos los pulsos pueden ser calculadas a partir de
un pulso rectangular independientemente de la forma, longitud,
potencia y fase. Esto evita la determinación experimental
de estos parámetros, que en muchos casos puede no ser
sencilla.

Un espectrómetro moderno puede tener entre dos y
cuatro canales de radiofrecuencia.

Cuando se aplican diversas RF en un mismo
experimento, cada canal de radiofrecuencia debe ser optimizado y
protegido insertando filtros entre el amplificador y la sonda.
Así se previene que frecuencias muy distintas de la
asignada a cada canal puedan llegar a la muestra y afectar
severamente la medida.

Es interesante recordar aquí algunas definiciones
técnicas y relaciones que son importantes en este
contexto. En primer lugar la potencia del transmisor P
se expresa habitualmente en relación a la frecuencia de
referencia en escala logarítmica, en unidades de
dB:

Donde V es el voltaje aplicado. El campo B1 es
proporcional a este voltaje en la bobina. Si suponemos por
ejemplo que el usuario quiere doblar la longitud de su pulso de
90º, el voltaje en la bobina debería ser la mitad y
la potencia debe ser reducida por un factor de cuatro.

Cambiar en un factor de 2 un pulso de 90º requiere
un cambio de potencia de 6 db.

La potencia P del amplificador puede calcularse
a partir del voltaje pico-pico Vpp medido a través de una
resistencia de 50 Ohm usando la ecuación:

El campo B1 se mide en Tesla (T) en el sistema SI, pero
puede también expresarse en unidades de Gauss (G) y en
unidades de kHz, de manera que puede establecerse la
relación:

B1 [G] = 0.23334 B1 [kHz]

Cada Tesla corresponde a 104 G. Si tenemos
en cuenta la relación ?B1/2p = 1/t360, un campo B1 de 5 G
corresponde a 21.42 kHz o a un pulso de 90º de 11.7 us
[7].

La ruta de la detección.

El receptor de un espectrómetro de RMN es muy
parecido a un receptor de radio doméstico en el cual la
señal de RF es detectada por una antena y
convertida en una señal de audiofrecuencia, utilizando un
proceso de conversión de frecuencias y de
modulación. La figura 4.a nos muestra como este camino de
detección empieza en la bobina de la sonda y termina con
la digitalización de la señal en la memoria del
ordenador. Así pues, tal como se ha comentado en el
apartado 2 (Detección en RMN), la señal de RMN se
obtiene como un voltaje oscilante. Posteriormente, esta
señal se manda al preamplificador para ser
amplificada.

El voltaje típico inducido en la bobina por la
magnetización nuclear es muy pequeño, del orden de
los micro-nano (10-6 – 10-9) voltios. Por ello, las
pérdidas en la transmisión deben ser minimizadas
poniendo el preamplificador lo más cercano posible a la
bobina. La calidad del preamplificador, juntamente con la de la
bobina receptora, determina la máxima relación
señal-ruido que puede obtenerse con un
espectrómetro concreto. En las criosondas, el
preamplificador suele estar incorporado en el cuerpo de la sonda
de manera que puede ser enfriado a la vez que la bobina. Desde el
preamplificador, la señal se manda a la parte de la
consola que se encarga de convertir la RF en una
frecuencia menor, de rango intermedio, que es la misma para todos
los núcleos. El uso de la frecuencia intermedia permite un
tratamiento posterior de la señal que no depende del
núcleo en cuestión. Este proceso se aplica en dos
etapas hasta conseguir la señal de audiofrecuencia
deseada.

La bobina de transmisión/recepción es
paralela al eje x, por lo que únicamente detecta la
magnetización Mxy en este eje. Ello hace que no sea
posible saber el signo de la componente Mxy según
y. En la práctica esto equivale a ignorar si las
frecuencias detectadas son mayores o menores que la frecuencia
del pulso de excitación lo que obligaría a dar el
pulso de medida en un extremo del intervalo espectral deseado
para poder obtener siempre diferencias de frecuencia del mismo
signo. Como consecuencia, sería preciso efectuar un
filtrado de ruido adicional, originado por el obligado aumento
(al doble) de la anchura espectral, lo que a su vez daría
origen a un empeoramiento notable de la relación
señal/ruido.

El problema se resolvería si se dispusiese de
otra bobina receptora igual situada en el eje y. En la
práctica se utiliza otra solución, que es
matemáticamente equivalente, pero que no requiere la
presencia física de la segunda bobina. Es lo que se llama
la detección en cuadratura. El sistema dispone de dos
detectores de manera que, a la frecuencia intermedia, la
señal de RF se separa y se envía a los dos
canales diferentes donde se mezcla con una frecuencia de
referencia RFRef (la de transmisión) que está
desfasada en 90º en un canal respecto al otro (figura 4.b).
Así, la información que circula por cada canal
corresponde a una modulación seno y a una
modulación coseno de la señal. Combinando las
componentes detectadas en ambos canales y haciendo uso de las
propiedades de la transformada de Fourier, pueden obtenerse las
dos componentes de Mxy, y determinarse el signo de la frecuencia
de resonancia respecto a la frecuencia de referencia o de
medida.

Figura 4.b. Diagrama
de la detección en cuadratura. Cada detector sensible a la
fase (DSF) tiene dos frecuencias de entrada y una de salida. La
salida final son dos señales moduladas en seno y en coseno
que permiten diferenciar frecuencias mayores y menores que la del
pulso de medida [7].

Una etapa posterior reduce la frecuencia de la
señal en la zona de las radiofrecuencias, del orden de 100
kHz. La señal así detectada es digitalizada y
mandada a un filtro digital que elimina parte del ruido y las
señales que están fuera de la ventana de
observación. La señal digitalizada se almacena en
el ordenador [7].

PRINCIPALES COMPONENTES DEL
EQUIPO

A continuación, se muestra de forma
esquemática los principales componentes de un equipo para
medidas de resonancia magnética nuclear.

Figura 4.c.
Principales componentes de un espectrómetro de RMN
[5].

Como se observa, el espectrómetro de RMN
consta de cuatro partes básicas:

1. Un imán estable, con un controlador que
produce un campo magnético preciso.

2. Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir
frecuencias precisas.

3. Un detector para medir la absorción de
energía de radiofrecuencia de la muestra.

4. Un ordenador y un registrador para realizar las
gráficas que constituyen el espectro de RMN
[5].

Imanes

El componente principal de los instrumentos de RMN tanto
de onda continua como de trasformada de Fourier es el
imán. La sensibilidad y la resolución de ambos
tipos de espectrómetros dependen críticamente de la
intensidad y calidad de sus imanes. Puesto que tanto la
sensibilidad como la resolución aumentan con el aumento de
la intensidad del campo, resulta ventajoso operar a la mayor
intensidad de campo posible. Además, el campo debe ser muy
homogéneo y reproducible. Estos requisitos convierten al
imán en el componente más caro, con diferencia, de
un espectrómetro de RMN [9].

Para la mayoría de aplicaciones de
la RMN se precisan imanes que generen un campo magnético
intenso, de elevada homogeneidad (véase Tabla 4.1), y gran
estabilidad.

Tabla 4.1. Requisitos
de Homogeneidad del campo magnético para las diferentes
aplicaciones de RMN.

Fuente: LORENZO, Emilio. Imanes en
Espectrómetros de RMN. inteRMnet. Universidad de Alicante.
Imágenes cortesía de BRUKER ESPAÑOLA
[10].

Los imanes pueden ser de tres
tipos:

• Imanes permanentes

Constituidos por polos cilíndricos,
construidos de un material magnetizable y con una envoltura de
hierro para cerrar el circuito magnético. La
magnetización suele hacerse por paso de corriente a
través de unas bobinas que rodean al imán. Cuando
se ha logrado el campo deseado cesa el flujo de corriente.
Resultan campos de 1.4 T aproximadamente (frecuencia de
resonancia del protón ~60 MHz) [10]

• Electroimanes

Similar a los anteriores pero en este caso la corriente
se hace pasar de forma continua. Normalmente resultan campos del
orden de 2.3 T (frecuencia de resonancia del protón ~100
MHz), la geometría de los polos, naturaleza de los
materiales y el consumo eléctrico son los determinantes de
la fuerza del campo magnético resultante.

Los equipos que emplean electroimanes tienen una masa
muy grande; así por ejemplo un equipo de 2.3 T  y de
30 cm de diámetro de polo,  tiene una masa de 2000
Kg.

Los electroimanes son capaces de alcanzar campos
magnéticos del orden de 35 T, pero a costa de un
elevadísimo consumo eléctrico. 
[10]

• Imanes superconductores

Los más extensamente empleados. Constituidos por
múltiples capas de un solenoide, un arrollamiento
helicoidal de cable, de material superconductor. El sistema
está sumergido en un baño de helio líquido.
El criostato de helio líquido se diseña con un
acceso para la muestra a temperatura ambiente, para la
espectroscopía RMN de alta resolución, el
diámetro de los imanes varía entre 50 y 100
mm.

Los materiales que constituyen el solenoide son
superconductores del tipo II, que pueden soportar altos valores
de campo magnético sin perder la superconductividad. Se
emplean extensamente aleaciones de elementos metálicos que
presentan buenas propiedades superconductoras y además
posean otras propiedades físicas (ductilidad,
maleabilidad, resistencia a la tensión, etc.) y
químicas, como es, la eliminación sencilla  de
impurezas paramagnéticas (que reducen las propiedades
superconductoras). 

Un superconductor se define con exactitud dando tres
parámetros: Su densidad de corriente crítica Jc, su
temperatura crítica Tc, y su cota superior de campo
magnético H2c. H2c y Tc son parámetros
característicos del material, mientras que Jc depende
fuertemente de la microestructura. Un nuevo material
superconductor, útil en RMN, deberá permitir una
densidad de corriente lo suficientemente grande como para
proporcionar un campo magnético de la intensidad deseada y
deberá ser capaz de soportar un campo magnético
grande sin destruir su carácter superconductor; así
por ejemplo, con aleaciones de Nb, Al y Ge se han llegado a
alcanzar valores de H2c de 410 kG (41 T) en el punto de
ebullición del helio. En lo referente a la temperatura
crítica, es interesante diseñar sistemas que posean
una Tc lo más alta posible.

Las aleaciones del tipo Nb3Sn y Nb-Ti se emplean
extensamente en la construcción de imanes de RMN, las
primeras en campos superiores a 9.4 T (400 MHz para
protón) y las segundas en campos inferiores a 9.4 T. Para
frecuencias de protón de 1 GHz o superiores se está
apostando por una serie de nuevos superconductores de niobio tipo
Nb3Al y Nb3(Xx, Al1-x) con X=Ge, Ga, Be, B y Cu; el estudio de su
proceso de fabricación está aún en sus
inicios .

Normalmente los hilos SC están contenidos en una
matriz de cobre o bronce. Concéntricos con el eje del hilo
se disponen los filamentos de material SC en un número que
va desde el medio centenar (Nb-Ti) hasta varios miles (Nb3Sn).
Con estos últimos es posible alcanzar campos de hasta 21 T
de la homogeneidad requerida en RMN. Con la tecnología
actual es imposible fabricar un hilo SC de unos 250 Km, la
longitud  requerida para un equipo de 900 MHz; es por ello
que los fabricantes han desarrollado técnicas de soldadura
de baja resistencia de los extremos de los hilos SC. Estas
técnicas se emplean con los diferentes tipos de
aleaciones.  [10]

Figura 4.d. Detalle
de los cables SC [10].

El imán está constituido por varias capas
de material superconductor (SC) enrollado según una
disposición solenoidal, de modo que se refuerce la
intensidad del campo magnético en el eje central del
mismo. Suele ser habitual emplear bobinados distintos, diferentes
tipos de aleación, en la construcción de un mismo
imán, atendiendo a criterios de homogeneidad y fuerza del
campo magnético que se desea alcanzar.

Figura 4.e. Detalle
de las bobinas SC [10].

Normalmente, un imán SC de RMN o RMI se impregna
en fábrica con una resina epoxi que confiere al material
una especial rigidez frente a las dilataciones bruscas y en todas
direcciones que se derivan de un quench; si estas
deformaciones llegaran a producirse la bobina superconductora
sería dañada irreversiblemente, perdiendo los
requisitos de homogeneidad que exige la RMN. Al mismo tiempo la
rigidez proporcionada por estas resinas permite al imán
soportar las tremendas tensiones y el stress al que se ve
sometido, debido a la tremenda cantidad de energía
almacenada en el mismo (nótese que un equipo de RMN de 900
MHz que opere a temperatura ambiente y de unos 65 mm de
diámetro es capaz de almacenar una energía de 27 MJ
[unos 6.4 kg de TNT]).

El diseño del imán y su geometría
resulta decisivos a la hora de establecer la cantidad de
energía que deberá acumular si se desea un campo
magnético de determinada potencia (así por ejemplo
en un equipo de 900 MHz de 54 mm de diámetro se reduce la
energía almacenada en el solenoide superconductor a 17 MJ
[unos 4 kg de TNT]). Tradicionalmente, en imanes de menor campo,
se han venido empleando ceras como tales agentes de reforzamiento
de los imanes.

Figura 4.f.
Impregnación de las bobinas SC [10].

Ya que se almacena una enorme cantidad de energía
en un imán superconductor, en caso de fallo de las
propiedades superconductoras (el material pase a poseer una
resistencia no nula al paso de corriente) toda esta
energía debe ser disipada de una forma rápida y
ordenada. Los fabricantes de imanes SC de resonancia
magnética emplean grandes esfuerzos en el estudio de
medios eficaces de disipación de energía en el
imán, sin producirle daño, en caso de
quench.

Normalmente, los imanes SC están sumergidos en un
baño de helio líquido (2.2 K). En los
últimos años, la tendencia ha sido la de emplear
crioenfriadores que eliminan la necesidad de realizar rellenos
periódicos de helio líquido; además permiten
el uso de imanes SC en ambientes "hostiles", tales como desiertos
o bosques de zonas húmedas. Los criostatos actuales suelen
emplear dispositivos de enfriamiento de superfluidos basados en
la expansión adiabática Joule-Thompson (JT) [una
válvula controlada por un pequeño motor y un
intercambiador de calor, la válvula se controla por un
dispositivo mecánico que puede ser controlada por
ordenador]. Estos enfriadores minimizan notablemente las
pérdidas de helio líquido. Los diseños
suelen emplear dos camisas exteriores a la del imán que
contienen He líquido y N2 líquido; la primera
empleada como reserva del He líquido y la segunda como
escudo térmico del sistema. Estas camisas se encuentran
separadas por una cámara de vacío de unos 10-6
mBar.

Figura 4.g. Interior
del recipiente Dewar que contiene el imán SC de alto campo
(>700 MHz). El baño de helio líquido se
encuentra a presión atmosférica y sólo la
unidad de enfriamiento Joule-Thompson opera a presión
reducida [10].

Cuando se adquiere un equipo de RMN, el imán
suele llegar de fábrica a temperatura ambiente. El
técnico debe llevar a cabo un proceso de enfriamiento del
mismo, empleando helio líquido y casi siempre
también nitrógeno líquido. Este proceso
suele durar varios días, así por ejemplo un equipo
de 900 MHz puede requerir unas 2 semanas para tener el
superconductor a una temperatura de unos 4 K y a costa de un
consumo de 104 l de nitrógeno líquido y 7500 l de
helio líquido. El proceso de excitación del
solenoide SC, pasando corriente desde un potenciostato a
través del mismo para transformarlo en un imán SC,
requiere mucho tiempo debido a la gran inductancia del
imán (más de 1000 H en un 900 MHz); al final del
mismo circulará una corriente de varios cientos de
amperios que originará el campo
magnético.

A pesar de los notables avances logrados por la ciencia
de los materiales en el estudio de nuevos SC; aleaciones con muy
buenas propiedades mecánicas (ductilidad y maleabilidad) y
físicas (mejora en las propiedades SC); la
tecnología actual es incapaz de proporcionar un hilo SC
que genere un campo magnético de las condiciones
requeridas en RMN. Partiendo de esto, los imanes se
diseñan con sistemas de bobinas de crioshim que, por paso
de corrientes a través de las mismas, permiten corregir
las inhomogeneidades que pudiera poseer el campo magnético
generado por el solenoide principal. El técnico, una vez
ha excitado el solenoide principal, debe excitar con el
potenciostato estas bobinas de modo que el campo final resulte
con la homogeneidad suficiente. 

En materia de seguridad frente a campos
magnéticos (estáticos) intensos, un equipo de 500
MHz puede llegar a borrar una tarjeta con banda magnética
a una distancia de 3 m, o lo que es más importante detener
un estimulador cardiaco (o similar) lo cual obliga a situar un
equipo de RMN en una zona aislada o de acceso restringido. Es por
ello que desde hace unos pocos años los fabricantes de
estos equipos han hecho notables esfuerzos por construir imanes
apantallados.

Una metodología útil ha sido la de emplear
otros arrollamientos de superconductor que generan campos
magnéticos que se oponen al campo magnético
principal y prácticamente lo neutralizan fuera del
recipiente Dewar que contiene al imán. Sin embargo, esta
metodología resulta muy cara cuando se aplica a altos
campos (800 MHz o mayores) debido a que requiere una mayor
longitud del solenoide superconductor principal, llegando a
encarecer hasta un 30 % el valor del imán. En campos
mayores de 800 MHz los fabricantes de imanes SC están
empleando sistemas de apantallamiento pasivo mediante el uso de
estructuras especiales que rodean el imán. Evidentemente,
al mismo tiempo, estas medidas de seguridad garantizan la
realización óptima de experimentos de RMN frente a
fuentes electromagnéticas externas. 

Figura 4.h. Principio
de Apantallamiento activo: las bobinas interior y exterior crean
un campo magnético muy homogéneo en el centro del
imán y prácticamente se anula en el exterior
[10].

El diseño de los criostatos de RMN suele tener en
cuenta una serie de medidas de anti-vibración. Estos
sistemas hacen que cualquier perturbación mecánica
(de bombas de alto vació, vibraciones externas, etc) sea
directamente absorbida por las paredes del Dewar y no pasen al
criostato. Una disposición habitual en los equipos de RMN
de 900 MHz es una jaula cilíndrica, constituida por
soportes amortiguadores de vibración,  que rodea la
circunferencia del Dewar del equipo de RMN; esta estructura
soporta el criostato por su centro de gravedad. La estructura del
criostato requiere una gran rigidez, en parte debido a las
tremendas condiciones mecánicas que debe soportar ante un
hipotético quench, que viene acompañada
por una masiva evaporación de helio líquido
[10].

Bobinas de homogeneidad de campo (bobina
shim)

Adicionalmente a la espira principal, el imán
superconductor tiene espiras superconductoras adicionales
(crio-shims) que producen gradientes específicos
de campo magnético que se usan para mejorar la
homogeneidad de la bobina principal. Estos crio-shims
corrigen grandes inhomogeneidades. Las corrientes de estas
bobinas se establecen en el momento de la instalación del
espectrómetro y normalmente no se modifican
posteriormente.

Sin embargo, la homogeneidad de un espectrómetro
de RMN de alta resolución sólo puede alcanzarse con
la ayuda de otras bobinas de shim que se encuentran a
temperatura ambiente.

Estas últimas están situadas en un tubo
cilíndrico que rodea a la sonda (figura 4.d) y cada una de
ellas produce correcciones del campo en determinadas direcciones
del espacio. Están diseñadas para crear
pequeños campos magnéticos que se oponen y cancelan
las inhomegenidades del campo principal. Dado que estas
variaciones existen en una gran variedad de formas funcionales
(lineales, parabólicas, etc) las bobinas de shim
deben ser capaces de crear una gran variedad de campos de
oposición. Típicamente hay de 20 a30 shims de
temperatura ambiente que en la mayoría de los
espectrómetros están controlados por el ordenador.
Estos shims deben optimizarse para cada muestra
concreta. Los espectrómetros más modernos
están equipados con mecanismos de homogenización
por gradientes de campo magnético. Estos procesos son
más efectivos en soluciones acuosas [7].

Sonda

La sonda es, probablemente, la parte más
importante del espectrómetro. Podemos decir que la
versatilidad de un equipo de RMN depende de la diversidad de
sondas disponibles, que se diferencian entre ellas en el
tamaño del tubo de muestra que aceptan, el rango de
frecuencias en el que pueden trabajar, el número de
canales y la situación de las bobinas. En la sonda es
donde queda colocado el tubo de muestra y es la parte del
espectrómetro encargada de mandar la RF y
detectar la señal que proviene de la muestra.

Contiene la bobina de RF para
transmisión/recepción, las bobinas del canal de
estabilización (lock) y las bobinas de los
gradientes. Además, contiene la unidad para el giro de la
muestra y el circuito para el control de la
temperatura.

El giro de la muestra alrededor del eje del tubo se
lleva a cabo con la ayuda de un rotor. En RMN de solidos el
sistema de giro son del tipo neumático donde se alcanzan
velocidades del orden de 200-26 000 Hz.

Las sondas se construyen para albergar tubos de RMN de
diferentes diámetros. El diámetro más
común es el de 5 mm.

Sin embargo existen también sondas de 2.5, 3, 8 y
10 mm, además de un sinfín de sondas especiales: de
flujo, microsondas, etc., e incluso sondas para trabajar a muy
altas o muy bajas temperaturas. En este apartado vamos a
describir con más detalle las bobinas de la
sonda.

Según la configuración de sus canales de
radiofrecuencia las sondas se pueden clasificar de la siguiente
forma:

Tabla 4.2. Clasificación de
las sondas según el número de canales que posea,
esto determina el número de núcleos diferentes que
el equipo puede estudiar al mismo tiempo.

Fuente: LORENZO, Emilio. Sondas de RMN. inteRMnet.
Universidad de Alicante. Imágenes cortesía de
BRUKER ESPAÑOLA [15].

• Bobina de radiofrecuencia

La bobina de radiofrecuencia actúa como una
antena. Por una parte, transmite los pulsos de radiofrecuencia de
la secuencias de pulsos (el campo magnético B1 que rota la
magnetización neta). Además, detecta la respuesta
de los espines via la magnetización transversal
que precesiona en el plano xy, la cual induce un voltaje
en la bobina. La utilización de dos bobinas diferentes
para la transmisión y la recepción tiene
conceptualmente algunas ventajas. Sin embargo, el diseño
de dos bobinas sintonizadas a la misma frecuencia que deben
situarse en un espacio muy pequeño es una tarea
difícil debido a las interferencias que pueden producirse
y el resultado no es óptimo. Por ello, en los
espectrómetros de RMN se utiliza una única bobina
de recepción/transmisión. La bobina de RF
produce un campo magnético oscilante linealmente
polarizado (B1) perpendicular a la dirección z
del campo magnético estático que se toma como
x por convención.

Figura 4.j.
Izquierda, esquema del campo producido por la bobina de RF
B1, perpendicular al campo magnético principal B0.
Derecha, el dibujo del interior de una sonda donde puede
apreciarse la bobina de recepción/transmisión que
rodea al lugar donde se sitúa el tubo de muestra
[7].

Uno de los parámetros que caracterizan una bobina
es el factor de calidad Q. Este factor mide el amortiguamiento
(damping) en el circuito, es decir la relación
entre la energía almacenada y la energía perdida en
cada periodo de operación. El factor Q vale:

Así, para una bobina, un valor alto de Q
significa una resistencia pequeña, o lo que es lo mismo
una perdida también pequeña y por tanto un
comportamiento más parecido a la bobina ideal. En general,
cuanto mayor es Q, mayor es la sensibilidad y mayor el campo de
RF que puede obtenerse para una potencia dada. Q
determina a su vez el lapso de tiempo o demora necesario para
cualquier cambio de potencia o fase en la RF. El valor
de esta demora en nanosegundos es aproximadamente igual al valor
de Q. Los valores típicos de Q están en el rango de
300 a 400.

La homogeneidad del campo B1 creado por la bobina es un
factor determinante de la calidad de la misma. Si el campo no es
homogéneo no todos los núcleos de la muestra
experimentarán el mismo pulso. Esto se hace más
importante en secuencias largas con numerosos pulsos de
RF en las que se perderá gran parte de la
señal e incrementaran el número de
artefactos.

Por razones de sensibilidad, la bobina debe encontrarse
muy cerca de la muestra (figura 4.j, derecha). Esta proximidad
espacial puede causar problemas cuando la bobina y el medio
circundante, normalmente aire o nitrógeno usado para la
estabilización de la temperatura, no tienen la misma
susceptibilidad magnética. En estas condiciones la
presencia de la bobina puede distorsionar el campo
magnético estático en la muestra y dificultar mucho
el proceso de homogeneización. Para solventar estos
problemas, las sondas pueden ser construidas
específicamente para diferentes susceptibilidades
magnéticas del aire o del nitrógeno y deben usarse
con el gas correspondiente para obtener buenos
resultados.

Las bobinas deben ser sintonizadas
específicamente para la muestra que vaya a ser estudiada.
Cada bobina tiene una banda o rango de frecuencias a las que
puede resonar.

Cuando ponemos una muestra en la bobina, la
conductividad y la constante dieléctrica de la muestra
afecta a la frecuencia de resonancia. Si esta frecuencia es
diferente a la frecuencia seleccionada, la bobina no
mandará de forma eficiente el campo B1, ni
detectará eficientemente la señal que viene de la
muestra. Esto finalmente conlleva una pérdida de
sensibilidad en el experimento. La mejor sensibilidad se consigue
después de sintonizar la sonda exactamente a la frecuencia
de resonancia de cada núcleo en cada muestra
concreta.

Pero además, la bobina tiene que ajustarse a la
impedancia de los circuitos del transmisor y del receptor
(normalmente 50 Ohms). Este valor es el requerido para la
óptima transmisión de los pulsos de RF a
la muestra y de la señal inducida de RMN al receptor a
través de los cables coaxiales. Todo ello se hace gracias
a la presencia de pequeños capacitadores variables
colocados en la sonda. Cuando la sonda está bien
sintonizada y con la impedancia ajustada, no hay RF
reflejada y toda la potencia es absorbida.

Figura 4.k.
Representación de la potencia reflejada frente a la
frecuencia. Izquierda, bobina mal sintonizada (error de tunning)
y con mal ajuste de la impedancia (error de matching). Derecha,
bobina bien ajustada [7].

Los últimos avances en la tecnología de
sondas han conducido al desarrollo de las sondas
criogénicas. Estas sondas utilizan el helio gas para
enfriar la bobina de excitación/recepción y el
preamplificador de señal a 20-70 K, mientras la muestra se
mantiene a la temperatura del experimento. Como consecuencia de
ello se optimiza la eficiencia de la bobina y se reduce el ruido
térmico, lográndose mejoras en la relación
señal/ruido en un factor de 3 a 4. Eso permite reducir el
tiempo de los experimentos o, alternativamente, la
concentración de la muestra a estudiar [7].

• Bobina de gradientes

Las sondas modernas no sólo contienen bobinas de
RF si no que, adicionalmente, tienen bobinas
apantalladas para aplicar gradientes de campo magnético en
una o en las tres dimensiones espaciales. Estas bobinas
están colocadas dentro de la sonda y producen gradientes
de campo magnético B0 que son necesarios para aplicar la
espectroscopía de gradientes, experimentos de
difusión y microscopía de RMN. No todas las sondas
tienen gradientes y no todos los espectrómetros de RMN
tienen el equipamiento necesario para poder utilizarlos. Son
bobinas de temperatura ambiente. Para crear los gradientes en la
dirección z (paralelo a B0) la bobina es del tipo
anti-Helmholtz, para los gradientes en x e y
las bobinas tienen otros diseños (figura 4.l).

Figura 4.l.
Diferentes tipos y formas de las bobinas de gradientes
utilizadas en los ejes x, y, z [7].

Los gradientes de campo que se obtienen son del orden de
0,5 T/m (50 G/cm). Para ello estas bobinas están cargadas
con corrientes eléctricas en el rango de los 10 A. Cuando
se enciende o apaga una corriente de esta intensidad, la bobina
de gradientes tiende a vibrar. Esto es algo que hay que minimizar
para poder obtener espectros de alta resolución ya que
estas perturbaciones interfieren con el requisito básico
de la recuperación rápida de la homogeneidad del
campo magnético después de la aplicación del
gradiente. Las sondas de gradientes tienen que estar
diseñadas para recobrar "inmediatamente" la homogeneidad.
Unos valores típicos serían: un tiempo de
recuperación de unos 100 µs después de un
pulso de gradiente rectangular en el eje z de 2 ms a un valor de
0.5 T/m. En el caso de gradientes en los tres ejes, las
interferencias entre las distintas bobinas, incrementan los
tiempos de recuperación individuales.

Como ya se ha comentado, el uso de gradientes de campo
posibilita un método eficaz para conseguir la homogeneidad
de campo de una forma sencilla y semiautomática
[7].

• Control de temperatura

La temperatura de la muestra debe ser controlada de
forma precisa para evitar desviaciones. En primer lugar la
temperatura debe ser muy estable y no desviarse más de
0.05 K de la temperatura deseada. Esto es especialmente
importante cuando se trabaja en disoluciones acuosas ya que la
señal de resonancia del agua presenta una dependencia muy
grande con la temperatura (0.01 ppm/K). Si la temperatura es
inestable, el sistema de lock trata de compensar la
desviación de la señal de D2O. Ello conduce,
consecuentemente, al desplazamiento de las demás
señales del espectro que tienen una dependencia con la
temperatura probablemente menor que la del agua pero en cualquier
caso distinta a la de ella.

En experimentos multidimensionales largos, si la
temperatura no es estable, las resonancias individuales no
están siempre completamente alineadas a lo largo de todos
los incrementos del periodo de evolución. Ello da lugar a
bandas de ruido (ruido t1) perpendiculares al eje de la
dimensión directa de medida. Además, las
inestabilidades de temperatura incrementan los artefactos en la
espectroscopóa de diferencia. Los problemas derivados de
una mala regulación de la temperatura son tanto más
importantes cuanto más finas sean las señales en el
espectro.

Para regular la temperatura, se hace fluir
una corriente de gas (aire o nitrógeno) alrededor de la
muestra. Este gas ha pasado previamente por una resistencia
eléctrica. Un termopar introducido en la sonda, en una
zona muy próxima a la muestra, mide la temperatura y un
circuito electrónico se encarga de regular la potencia de
la resistencia para conseguir la temperatura deseada. Para que la
regulación sea correcta, la temperatura de entrada del
aire debe de ser al menos 10 K por debajo de la temperatura a la
que se quiere regular en la muestra. Por eso, es necesario
disponer de un accesorio que permita enfriar el aire o el
nitrógeno previamente a su introducción en la sonda
para que luego pueda ser calentado.

Además, el flujo debe ser suficientemente alto
para disipar eficientemente el calentamiento que se pueda
producir por radiaciones intensas, como por ejemplo en el
desacoplamiento heteronuclear o durante el tiempo de mezcla de un
experimento TOCSY. El flujo de aire es especialmente
crítico en le caso de las sondas criogénicas ya que
debe ser lo suficientemente elevado como para homogeneizar el
posible gradiente de temperatura entre la sonda (que se encuentra
a 20-40 K) y la muestra. Sin embargo, en ningún caso, el
flujo de aire debe ser excesivamente alto puesto que puede
producir vibraciones o movimientos del tubo de muestra que
rebajarían la calidad de los espectros
obtenidos.

Es importante tener en cuenta que las variaciones de
temperatura en la habitación pueden afectar el correcto
control de la temperatura en la muestra. Además, fallos en
la correcta regulación de la temperatura del experimento
pueden dañar la muestra y, más importante, pueden
dañar la sonda. Por ejemplo, un fallo o una mala
adecuación de los parámetros que controlan la
resistencia del circuito podría congelar o sobrecalentar
la muestra dependiendo de la temperatura del gas de entrada y del
defecto o exceso de la potencia permitida de calentamiento. Los
posibles fallos en el suministro del flujo de aire son algo
también a considerar para evitar daños,
especialmente en el caso de las sondas criogénicas
[7].

• Sistemas de estabilización de campo y
  frecuencia

Los modernos espectrómetros de RMN precisan de
una elevada estabilidad (mayor de

10-9) del campo magnético y de la frecuencia.
Podría pensarse que la estabilidad de ambos, la
radiofrecuencia y el campo magnético, debe de ser al menos
del mismo orden de magnitud lo cual es imposible de alcanzar con
las herramientas actuales. El campo magnético tiene una
tendencia natural a derivar paulatinamente con el tiempo,
varía con las fluctuaciones de temperatura y
presión, se afecta con la presencia de material
magnético en movimiento, etc.

Estas modificaciones externas son del orden de 10-20
miligauss (10-7) y son excesivas si deseamos medir por ejemplo
una señal de protón con una anchura a mitad de la
altura de 0.3 Hz a 800 MHz en experimentos que duran días.
Afortunadamente, es suficiente con que la relación
campo-frecuencia sea estable en el orden de 10-9. Estas
condiciones pueden obtenerse midiendo la señal de RMN de
un núcleo determinado de forma permanente y compensando el
campo magnético para cualquier desviación que se
produzca en la posición de resonancia de esta
señal. Este acoplamiento del campo magnético a una
frecuencia de resonancia se conoce como lock (bloqueo
campo-frecuencia) y para ello se utiliza habitualmente la
resonancia de deuterio incluida en la mayoría de los
solventes que se utilizan en RMN.

El circuito de lock se llama también circuito de
estabilización, y puede imaginarse como un
espectrómetro adicional dentro de nuestro
espectrómetro. Su misión es detectar la
señal de deuterio en dispersión (al revés de
lo que es habitual en la espectroscopía de RMN que detecta
la señal e absorción) (figura 4.m). Dado que la
posición de resonancia de cualquier núcleo depende
del campo magnético, cuando se produce alguna
inestabilidad en el campo magnético principal (?B0), la
señal de deuterio se desvía de su posición.
El circuito de lock lo detecta como un incremento de
tensión eléctrica (?V) que es amplificada y enviada
como una señal de error a unas bobinas capaces de generar
un campo magnético adicional que corrige al
principal.

Figura 4.m.
Señal de dispersión del deuterio en el canal de
estabilización (lock), eje de ordenadas V (voltaje), eje
de abscisas B0 (campo magnético) [7].

La estabilidad absoluta de la frecuencia del oscilador
maestro de los sintetizadores utilizados actualmente es del orden
de 10-8 Hz/día, claramente insuficiente para experimentos
largos. Sin embrago lo que debe ser estable no es la frecuencia
absoluta, sino la diferencia de frecuencias entre las
radiofrecuencias de transmisión y de recepción que
al ser obtenidas del mismo oscilador varían de la misma
forma con el tiempo. Lo mismo ocurre con las estabilidades de las
fases.

La existencia de un canal de estabilización y el
origen común de todas las radiofrecuencias de un
espectrómetro, posibilitan realizar espectros de RMN
reproducibles.

Las variaciones muy rápidas del campo
magnético externo (arranque de trenes o máquina) no
son bien corregidas con los mecanismos disponibles descritos
[7].

• Materiales de las sondas

Conductores: En sondas de sólidos se suele
emplear cobre de grado electrónico: bobinas
estándar de cobre libre de oxígeno de alta
conductividad. Suelen tener un contenido en Fe por debajo de 25
ppm.

Normalmente los conductores trabajan a temperatura
ambiente, sin embargo también existen sondas, criosondas,
donde se reduce la temperatura de las bobinas y de los
preamplificadores. Con este tipo de sondas se reduce
considerablemente la relacion S/N (señal-ruido) y se puede
llegar a obtener un factor de aumento de la sensibilidad de
4.

Aislantes y dispositivos mecánicos: Una de
las características de la señal de RMN es su
dependencia con la susceptibilidad magnética (la global en
el volumen efectivo de medida, ver Ecuación
27).

En donde, S es el voltaje de la señal detectada
en una muestra con susceptibilidad magnética X,
con un sistema de espín nuclear que precesa un
ángulo f en presencia de un campo magnético B0 a
una frecuencia de Larmor w, detectado por una bobina que genera
un campo magnético transversal polarizado circularmente
B1(r), sobre el volumen de muestra V, siendo i la
corriente que atraviesa el circuito.

Es por ello que en el diseño de las sondas
modernas se pretende usar materiales de susceptibilidad
magnética cero, así la señal sólo se
deberá a la muestra y no a los componentes de la
sonda.

En RMN de sólidos es de extrema importancia la
selección de los materiales que constituyen la sonda ya
que se alcanzarán velocidades de giro enormes. Los
materiales empleados suelen ser cuarzo, Macor (cristal
cerámico de Al-B-Si-Mg-F) o materiales cerámicos;
todos ellos suelen tener problemas de campaneo acústico
por debajo de 50 MHz). La zirconia (ZrO2) parece ser un material
que proporciona mejores propiedades. También se pueden
emplear termoplásticos, PEK por ejemplo [15].

El Rotor

El rotor es ese pequeño recipiente
cilíndrico en donde se deposita la muestra que va a ser
analizada por RMN-MAS. Los rotores son hechos principalmente
zirconia pura o polímeros especiales que presentan una
susceptibilidad magnética muy cercana a cero, para que de
alguna manera sean "invisibles" para el equipo y solo se detecten
las señales de resonancia de su contenido, es decir, la
muestra. Además el material debe ser lo suficientemente
resistente para soportar las altas velocidades de giro a las que
será sometido el rotor.

La cantidad de muestra que se puede usar va a depender
del tamaño del rotor que se use. Existen 3 modelos
diferentes de rotores según su capacidad:

• Rotor de Capacidad Normal (thick wall): volumen de
  muestra activo 11 microlitros. Velocidad rotación
  máxima 25 kHz.

• Rotor de Gran capacidad (large volume): volumen de
  muestra activo 22 microlitros. Velocidad rotación
  máxima 25 kHz.

• Rotor de Pared delgada (thin wall): volumen de
  muestra activo 36 microlitros. Velocidad de rotación
  máxima 15 KHz [13].

Figura 4.o. Rotor y
tapa para el mismo de zirconia (ZrO2) pura para RMN-MAS
[14].

Tabla 4.3. Propiedades de los
rotores y sus tapas.

Fuente: Wilmad LabGlass Rotors and Caps
for Bruker®, Varian® and Doty® MAS-NMR Zirconia MAS
Rotors and Compatible Rotor Caps [14].

TRATAMIENTO DE LA MUESTRA

A diferencia de la espectroscopía de RMN de
líquidos, donde la muestra debe ser disuelta en un
solvente deuterado compatible con esta. En la RMN de solidos la
muestra se maneja generalmente en forma de polvo con
partículas de diámetro no mayor a 0,075 mm (malla
200), para garantizar una interacción homogénea
entre el analito y el campo magnético. Es posible
también usar la muestra con tamaños mayores a 0,075
mm y hasta 0,15 mm (malla 100), pero es muy probable que la
calidad del espectro obtenido no sea la deseada.

La purificación de las muestras antes de ser
analizadas por espectrocopía de RMN, es indispensable
porque con ello se garantiza la mínima interferencia de
compuestos indeseables en nuestro análisis y que generan
bandas que solapan a los picos de resonancia de nuestro material
de interés.

Para el caso específico de las arcillas, la
purificación previa a un análisis por RMN-MAS
consiste básicamente en una molienda primaria con ayuda de
un mortero donde se deja el material pulverizado lo más
fino que sea posible.

La arcilla pulverizada se lava con agua destilada y
desionizada. En ocasiones se suele dejar la arcilla suspendida y
en reposo de 3 a 7 días en agua; al cabo de ese tiempo se
separa por decantación la arcilla suspendida en la fase
acuosa, de los sólidos insolubles que se han precipitado,
para luego ser recuperada por centrifugación
[19].

Cuando las arcillas son extraídas de suelos con
características bastante alcalinas, es necesario hacer un
tratamiento químico de neutralización del material,
usando acido fuerte como el H2SO4, mediante un lavado con
solución acida por varios minutos a temperatura ambiente.
Luego se realizan sucesivos lavados del material con agua para
eliminar los sulfatos [21].