thumb|right|300px| Um instrumento RMN de 900MHz com um magneto de 21.2 T no Henry Wellcome Building for NMR (HWB-NMR), Birmingham, GB.Espectroscopia por ressonância magnética nuclear, mais conhecida como espectroscopia por RMN, é uma técnica de pesquisa que explora as propriedades magnéticas de certos núcleos atômicos para determinar propriedades físicas ou químicas de átomos ou moléculas nos quais eles estão contidos. Baseia-se no fenômeno da ressonância magnética nuclear e pode fornecer informações detalhadas sobre a estrutura, dinâmica, estado de reação e ambiente químico das moléculas.
Mais frequentemente, espectroscopia RMN é usada por químicos e bioquímicos para investigar as propriedades de moléculas orgânicas, embora seja aplicável para qualquer núcleo que possua spin. Isto é válido desde compostos pequenos analisados com próton ou carbono unidimensional até grandes proteínas ou ácidos nucléicos usando técnicas de análise em 3 ou 4 dimensões. O impacto da espectroscopia NMR nas ciências naturais tem sido substancial, e esta técnica pode ser aplicada a uma grande variedade de amostras em solução e estado sólido.
O que é e como funciona a espectroscopia de RMN A técnica de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) fundamenta-se no estudo da interação entre a radiação eletromagnética, na região de radiofrequência, com determinados núcleos atômicos da matéria, ambos submetidos a um forte campo magnético. Através do equipamento de RMN é possível determinar a elucidação estrutural e a quantificação de compostos presentes em diferentes áreas da química, biologia, medicina etc.
Quando se observa os núcleos atômicos, duas propriedades são importantes para o entendimento da RMN: o spin nuclear e o momento magnético. Spin é o momento angular intrínseco de partículas elementares, ou seja, o resultado do seu movimento através do espaço, sendo exemplos: prótons, nêutrons, elétrons, fótons etc.
Segundo um dos postulados da química quântica entende-se que o momento angular de uma partícula está quantizado, sua grandeza é o número quântico do momento angular, representada pela letra I, sendo que, o número quântico de partículas elementares como elétrons, prótons e nêutrons é igual a ½. O momento angular é representado pela equação (L = ħ I), em que ħ é a "constante reduzida de Planck" ou "constante de Dirac". Já o momento magnético é representado pela equação (µ = γL = γ ħ I), em que γ é a constante giromagnética.
Os núcleos ativos para análise na espectroscopia de RMN apresentam o número quântico de spin nuclear igual a ½, este valor representa a resultante das partículas elementares que compõem o momento magnético do núcleo, o que possibilita entender sua interação com campo magnético externo, chamado de B0.
No espectrômetro de RMN, a amostra que possui spins nucleares ativos é submetida ao campo magnético externo (B0), e quando iniciado o experimento é submetida a um pulso de radiação eletromagnética, também chamado de campo magnético oscilante (B1). Após desligar o pulso, cada momento magnético nuclear (µi) precessiona ao redor desse campo magnético com frequência angular ϖ0, que depende da constante giromagnética do núcleo γ (razão entre o momento magnético µ e momento angular L) e de B0 , conforme mostrado a seguir.
ϖ0 = γ B0
Uma vez que γ é uma constante, cada isótopo tem uma frequência de precessão única, chamada de frequência de Larmor (ϖ0), e na grande maioria das aplicações da RMN, a frequência de ressonância em Hz (ϖ0/2π) situa-se na faixa das frequências de rádio (MHz). Com base nas propriedades até aqui descritas, pode-se pensar no comportamento do núcleo sob um forte campo magnético de acordo com o modelo vetorial.
De fato, ao imaginar os spins nucleares como pequenos vetores possuindo momento magnético, na ausência de campo magnético, estes vetores estariam distribuídos no espaço em direções e sentidos aleatórios. Porém, na presença de um forte campo magnético externo, os vetores alinham-se na mesma direção deste. Com base nesta situação, a resultante do momento magnético da população de spin (M0) apresenta o sentido do campo magnético externo. Esta teoria, ajuda a entender o que ocorre com o spin sob forte campo externo, quando submetido ao pulso eletromagnético.
Na presença do campo externo B0 ao longo do eixo z, no equilíbrio termodinâmico, a magnetização resultante tem componente apenas ao longo do eixo z (M0) e é nula nos eixos x e y. Porém, a aplicação de pulsos eletromagnéticos na região de rádio frequência rotaciona a magnetização M0 por um ângulo θ = γ B1𝝉, sendo 𝝉 o tempo de aplicação do pulso e B1 a intensidade do campo magnético oscilante. O efeito do pulso pode ser representado matematicamente por uma matriz de rotação Rθ, a ser utilizada dependendo da fase do pulso. Por exemplo, para um pulso aplicado no eixo x (um pulso de 90º com fase x, rotaciona a magnetização para o eixo y) usa-se a matriz Rθx.De forma idêntica, para um pulso aplicado no eixo y usa-se a matriz Rθy.
A aplicação de um pulso faz com que a magnetização M0,que se encontrava originalmente na direção do campo B0 gire em um ângulo θ proporcional à duração do pulso, à intensidade do campo e a constante giromagnética. Assim, obtém-se uma magnetização do plano xy, originando as componentes Mx e My.
Após aplicação do pulso, ocorre o processo de relaxação quando B1 é desligado e o reequilíbrio térmico é iniciado. Durante esse período a magnetização torna a precessionar em torno de B0, quando também é feita a aquisição do sinal de RMN pelo processo de magnetização do plano xy.
Técnicas básicas de RMN thumb|right|200px|A amostra RMN é preparada em um tubo de vidro de paredes finas - um tubo de RMN. Na presença de um campo magnético, núcleos ativos à RMN (tais como 1H ou 13C) absorvem radiação eletromagnética a uma frequência característica do isótopo. A frequência de ressonância, a energia de absorção e a intensidade do sinal são proporcionais à força do campo magnético. Por exemplo, em um campo magnético de 21 tesla, prótons ressoam a 900 MHz. É comum referir-se ao magneto de 21 T como magneto de 900 MHz, embora diferentes núcleos ressoem a diferentes frequências para esse valor do campo.
No campo magnético da Terra, os mesmos núcleos ressoam em audiofrequências. Este efeito é usado em espectrômetros RMN de campo geomagnético e outros instrumentos. Por serem portáteis e baratos, são muitas vezes usados em aulas e trabalhos de campo.
O Espectrômetro de RMN Existem dois tipos de espectrômetros de RMN: os mais antigos, de onda contínua (CW, na sigla em inglês) e os mais recentes, de pulso ou de Transformada de Fourier (FT-NMR, na sigla em inglês). Nos equipamentos CW, os espectros eram coletados através de lentas alterações no sinal da frequência de rádio, localizado próximo a amostra. O processo matemático conhecido como Transformada de Fourier, converte o sinal, que originalmente foi obtido em função do domínio tempo (Free Induction Decay, ou FID), para uma função no domínio da frequência. Assim, gera-se um gráfico da intensidade do sinal (eixo y) em função da frequência (eixo x), que consiste no espectro de RMN. A grande vantagem do FT-NMR é a rapidez de aquisição dos dados, uma vez que um espectro inteiro é coletado no período de 2 a 3 segundos, enquanto que no CW eram necessários 5 minutos. Assim, os equipamentos CW são hoje considerados obsoletos.
Os componentes básicos de um espectrômetro de RMN são os seguintes: um magneto supercondutor, uma sonda, um transmissor de rádio, um receptor de rádio, um conversor de sinal analógico para digital (ADC) e um computador.
O magneto é um solenóide composto por uma mistura dos metais supercondutores nióbio e titânio, o qual fica imerso num banho de hélio líquido, na temperatura de aproximadamente 4 K. Uma larga corrente flui pelos loops do solenóide, gerando um campo magnético forte e contínuo, sem alimentação externa. O compartimento de hélio é resfriado por uma jaqueta térmica, preenchida, por sua vez, com nitrogênio líquido (77 K).
A sonda é uma bobina de fios, posicionada perto da amostra, permitindo a alternância entre a transmissão e a recepção dos sinais de frequência de rádio. O computador direciona o transmissor a enviar pulsos na frequência de rádio, com alta energia e curta duração, para a sonda. Logo após esse pulso, o fraco sinal recebido é amplificado, convertido em frequência de áudio e registrado em intervalos de tempo definidos pelo ADC, criando um sinal digital, que se consiste basicamente em uma lista de números.
O computador determina a intensidade e o tempo dos pulsos, além de processar os sinais digitais fornecidos pelo ADC e aplicar a transformada de Fourier, gerando o espectro de RMN no monitor.
O custo de um espectrômetro de RMN varia de 120 mil a 5 milhões de dólares, dependendo da força do campo magnético (200 a 900 MHz, na frequência do próton). Os principais fabricantes mundiais desses equipamentos são as empresas Bruker Corporation e Agilent Technologies (ambas americanas).
Espectros de RMN e informação estrutural
O estudo de compostos orgânicos por meio da espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) é uma técnica importante para determinar as estruturas dessas moléculas. Os espectros de RMN são utilizados para determinar o número de moléculas não equivalentes e para identificar os tipos de átomos correspondentes presentes em um composto. Dentre as moléculas que podem ser elucidadas por essa técnica, é possível citar às que possuem o núcleo carregados em estado de spin de +1/2 e -1/2 como: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P. Nesse contexto, a análise do espectro de RMN de 13C associada com a análise dos espectros de RMN 1H permite que se determine a fórmula molecular de uma substância, a formula estrutural e até mesmo a espacial
Estado de spin e a formação do espectro Os núcleos carregados de uma molécula geram um campo magnético semelhante ao de um pequeno imã. Quando uma amostra é colocada em um campo magnético aplicado, o núcleo gira e se alinha a favor ou contra o campo de maior magnetismo. Quando um próton se alinha a favor do campo diz-se que esse está no estado spin α de menor energia; quando se alinha contra o campo ele está no estado spin β de maior energia. As diferenças entre esses alinhamentos formam a base da espectroscopia de RMN.
Quando um campo magnético é aplicado (β0) gera uma diferença de energia (∆E) entre os estados de spin α e β e o núcleo no estado de spin α é promovido ao estado spin β. Ao retornar ao seu estado original, os núcleos emitem sinais eletromagnéticos que são detectados pelo espectrômetro de RMN, que registra a frequência desse sinal versus sua intensidade, o que chamamos de espectro de RMN.
miniaturadaimagem|150x150px Após a obtenção do espectro de RMN pode-se extrair informações relacionadas ao número de sinais , que mostra quantos tipos diferentes da molécula está presente; a localização do sinal , que mostra como o núcleo é protegido ou desprotegido; a intensidade, que relaciona o número de moléculas do mesmo tipo; e o desdobramento do sinal, que mostra o número dessas moléculas em átomos adjacentes.