RMN de Campo Cero: Detección de Núcleos Cuádrupoles por Primera Vez

¿Cuál es la estructura de una molécula en particular? ¿Y cómo interactúan las moléculas entre sí? Los investigadores interesados en estas preguntas utilizan con frecuencia la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para encontrar respuestas. En la RMN, se utiliza un potente campo magnético externo para alinear los espines de los núcleos atómicos, que luego se inducen a rotar mediante un campo magnético débil oscilante generado por bobinas. Un cambio en el voltaje como resultado puede convertirse en frecuencias medibles. Con base en esto, los investigadores pueden identificar las estructuras moleculares al mismo tiempo que revelan cierta información sobre las interacciones de espín nuclear. Sin embargo, este tipo de investigación requiere campos magnéticos muy fuertes generados por dispositivos masivos, que a su vez son difíciles de instalar y mantener. Al mismo tiempo, incluso con un equipo tan elaborado, sigue siendo difícil analizar núcleos cuadrupolares, que son el tipo de núcleo más abundante en la naturaleza.

En el caso de la resonancia magnética nuclear de campo cero (RMN de campo cero), no hay necesidad de un potente campo magnético externo. Aquí, los acoplamientos intramoleculares entre los espines de los núcleos magnéticamente activos son la interacción mecánica cuántica predominante. Las líneas espectrales son, por lo tanto, más estrechas y más nítidas, y las muestras incluso se pueden investigar en contenedores hechos de metal u otros materiales. La espectroscopia de RMN de campo cero ahora se utiliza para monitorear reacciones en contenedores metálicos o para el análisis de plantas; También tiene aplicaciones prometedoras en medicina. Sin embargo, para poder medir las pequeñas interacciones entre los espines, es necesario proporcionar blindaje contra el campo magnético de la Tierra, que es una tarea compleja en sí misma.

Configuración experimental simple pero más precisa

Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y el Instituto Helmholtz de Mainz (HIM), en colaboración con colegas de la Universidad de California, Berkeley, han logrado recientemente medir núcleos cuadrupolares utilizando RMN de campo cero. “Analizamos una molécula de amonio, NH₄⁺, un catión que juega un papel importante en diversas aplicaciones”, dijo el Dr. Danila Barskiy, jefe del equipo de JGU. “Esperamos que en el futuro podamos detectar estas moléculas incluso en entornos complejos, como reactores y contenedores metálicos”. Los investigadores pudieron idear un sistema que simplemente implica mezclar sales de amonio con agua y agregar diversas cantidades de deuterio. Los espectros individuales se registraron y analizaron. Para este análisis, los científicos utilizaron un magnetómetro comercial, no más grande que una uña, en un sistema analítico compacto de fabricación casera con blindaje magnético.

Mediciones de precisión para probar teorías existentes

Los investigadores también examinaron otra pregunta interesante: ¿En qué medida influye el número de átomos de deuterio en una molécula de amonio en el espectro y las características de relajación de los espines? Como señaló Román Picazo-Frutos, estudiante del Instituto de Física de la JGU y autor principal de la publicación correspondiente: “Utilizando nuestro método, es posible determinar las frecuencias de resonancia con un nivel de precisión muy alto. Debido a que los resultados producidos por esta técnica se pueden comparar con otros datos experimentales, se puede utilizar para evaluar cálculos de química cuántica. Esperamos que nuestro sistema se convierta en una práctica estándar en el futuro cercano”. Aunque las predicciones basadas en las teorías actuales se correlacionan estrechamente con los resultados obtenidos por el equipo, existen pequeñas desviaciones. “El trabajo realizado por el equipo ha ampliado considerablemente la gama de moléculas que se pueden analizar mediante técnicas de RMN de campo cero a ultrabajo. Incluso puede contribuir al desarrollo de aplicaciones innovadoras que podrían utilizarse para investigar los núcleos de átomos con pequeños números atómicos mediante su decaimiento gamma radiactivo”, concluyó el profesor Dmitry Budker de JGU.

Los resultados de la investigación se han publicado en Nature Communications.

Enlaces relacionados:

• – Laboratorio Budker en el Instituto de Física de la JGU
• – Instituto Helmholtz de Mainz (HIM)
• – GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
• – Red de Formación Innovadora “De Campo Cero a Ultrabajo Campo RMN”
• – Blog de RMN ZULF

Leer más:

• – comunicado de prensa “Premio Erwin Schrödinger para un equipo de investigación internacional en el Instituto Helmholtz de Mainz” (4 de octubre de 2022)
• – comunicado de prensa “Menos riesgo, menos costes: los dispositivos portátiles de espectroscopia podrían convertirse en realidad pronto” (1 de septiembre de 2022)
• – comunicado de prensa “Danila Barskiy recibe el premio Sofja Kovalevskaja para desarrollar dispositivos espectroscópicos portátiles de bajo coste” (22 de septiembre de 2020)