Risonanza magnetica nucleare

La risonanza magnetica nucleare si basa sulla perturbazione dei livelli energetici dei nuclei sotto l’effetto di un campo magnetico orientato. Questa perturbazione produce una separazione di alcuni livelli energetici misurata dalla energia di perturbazione

Essendo basata su misure di energie di perturbazione, che sono generalmente piccole, la risonanza magnetica nucleare fa uso di radiazioni a bassa frequenza quali, ad esempio, le radiofrequenze. Questa tecnica ha prodotto effetti straordinari nel campo della chimica, della fisica e della medicina. Il principio di base della risonanza magnetica nucleare è che la composizione strutturale e chimica di diverse sostanze può essere determinata dai loro nuclei, che hanno il loro campo magnetico distintivo.

Il nucleo è una particella dotata di massa, carica e talvolta anche di moto di spin. Nello specifico i  nuclei che hanno numero di massa o numero atomico dispari posseggono anche uno spin ossia hanno un momento angolare.

Spin

Ad esempio  gli isotopi ¹H, ¹³C, ⁷N e ¹⁷O hanno spin.

Qualunque nucleo dotato di spin può essere studiato mediante NMR anche se, nel campo della chimica ci si limita all’idrogeno (protio) o al carbonio 13.

Una carica che ruota come il nucleo dell’idrogeno genera un campo magnetico con un momento associato μ. Un tale nucleo può essere considerato analogo a un piccolo ago magnetico. Quando è applicato un campo magnetico esterno, il nucleo cerca di allineare il suo momento magnetico lungo la direzione del campo. In modo analogo all’ago magnetico della bussola tende che ad allinearsi con il campo magnetico terrestre.

Momento nucleare di spin

Il vettore I corrispondente al momento nucleare di spin ha modulo: √I(I+1)  h/2π dove I è il numero quantico di spin nucleare e può assumere valori interi o semi-interi a seconda della natura del nucleo.

Le direzioni che questo vettore può assumere nello spazio sono quantizzate.

Quindi i valori delle proiezioni rispetto a un asse di riferimento sono determinati dalla relazione MI h/2π dove MI, numero quantico magnetico del nucleo può assumere i ( 2I + 1) valori compresi tra – I e + I diversi per una unità. Ad esempio il vettore momento di spin nucleare se I = 1 , essendo (2I + 1) = (2 x 1)+1 = 3 vi sono tre possibili proiezioni.

Un protone ha un numero quantico di spin = 1/2 e allora ha 2 · 1/2 = 2 possibili orientamenti:

• parallelo ( ↑ )
• antiparallelo ( ↓ )

rispetto al campo magnetico esterno.

In assenza di campo magnetico gli spin sono orientati in direzioni casuali. In presenza di campo magnetico  gli spin protonici sono allineati in modo parallelo o antiparallelo rispetto al campo e la differenza di energia fra queste due posizioni è inversamente proporzionale alla forza del campo magnetico esterno:
ΔE = kB (1)
dove k è una costante, B è la forza del campo elettromagnetico esterno e ΔE è la differenza di energia fra i due orientamenti.

Questa variazione nel distanziare i livelli di energia in funzione del campo magnetico applicato è mostrata in figura. Al più basso livello di energia corrisponde un allineamento parallelo ( ↑ ) al campo applicato, mentre al più alto livello di energia corrisponde un allineamento antiparallelo ( ↓ )

Per una prefissata forza del campo magnetico il protone può andare da un livello a un altro assorbendo o emettendo una quantità discreta di energia:
ΔE = hν (2)
ove ν è la frequenza della radiazione emessa o assorbita. Combinando la (1) e la (2) si ha:
kB = hν  da cui: ν = kB/h
come si può vedere da questa equazione quando i protoni sono posti in un campo magnetico fisso esiste una frequenza ben definita che separa i due livelli energetici.

In pratica un campo di 14000 gauss richiede una frequenza di 60 MHz di energia che ricade nella regione di radiofrequenza della spettro elettromagnetico per la transizione fra due livelli energetici corrispondenti alle due orientazioni possibili.
La risonanza magnetica nucleare richiede principalmente una forte intensità, costanza e omogeneità del campo magnetico esterno.

In uno spettrometro il campione è immesso nel campo di un elettromagnete. Quindi  è applicato un campo di radiofrequenze facendo passare una corrente elettrica attraverso una bobina che è avvolta intorno al campione.

Il campo magnetico è lentamente aumentato e l’eccitazione o il “salto” ( flipping ) del nucleo da un’orientazione all’altra è rilevato come voltaggio indotto. Esso risulta dall’assorbimento di energia nel campo di radiofrequenza. Uno spettro NMR è dato dalla registrazione del voltaggio indotto in funzione della variazione del campo magnetico. L’area sotto il picco dipende dal numero totale dei nuclei che hanno compiuto il salto.

Usi della risonanza magnetica nucleare in medicina

La risonanza magnetica nucleare può essere utilizzata per aiutare a diagnosticare malattie, pianificare un trattamento o scoprire quanto sta funzionando il trattamento. È particolarmente utile per l’imaging del cervello e del midollo spinale, del cuore e dei vasi sanguigni, delle ossa, delle articolazioni e di altri tessuti molli, degli organi nella pelvi e nell’addome e del seno.

Oltre a fornire dati apprezzabili la risonanza magnetica nucleare ha soppiantato la tecnica diagnostica che utilizza i raggi X usati di routine nel campo della medicina e dell’odontoiatria per rilevare anomalie e fratture e per osservare i tessuti in via di guarigione in quanto  valido strumento di rilevamento comporta il rischio di esporre i pazienti a radiazioni eccessive.

In odontoiatria, questa la risonanza magnetica nucleare è prevalentemente usata per esplorare la struttura dei vetri amorfi e dei cementi dentali, l’interazione dei vetri bioattivi con i tessuti orali, l’identificazione dei metaboliti salivari per il rilevamento delle malattie e la comprensione delle malattie parodontali mediante l’analisi dei biomarcatori

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