EL FENOMENO DE LA RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR

En los cursos básicos de química se suelen estudiar los elementos de la

tabla periódica tomando en consideración la existencia de isotopos, es decir,

definiendo un elemento químico dado por su número de masa y numero de

carga. Hay algunas otras propiedades de los elementos que, hasta hace poco,

solo incumbían a los físicos y que en la actualidad interesan a los químicos,

debido al uso de nuevas técnicas experimentales, como la resonancia

magnética nuclear, la resonancia eléctrica cuadrupolar y la espectroscopia de

microondas.

Los núcleos de todos aquellos isotopos cuyos números de masa y de

carga sean pares no tienen spin nuclear y en consecuencia tampoco tienen ni

momento magnético ni momento eléctrico cuadrupolar. Basta que con que uno

de estos dos números sea impar para que el núcleo del átomo respectivo

presente el fenómeno, debido a que tiene un spin nuclear. Los isotopos que

tengan spin nuclear pueden ser de uno de dos grupos: los que tengan número

de masa impar, independientemente de su numero de carga, tendrán por

spinnuclear un numero impar dividido por dos tal como 1/2, 1/3, etc., y los

núcleos con masa par y carga impar tendrán valores de spin nuclear en

números enteros.

La carga eléctrica que posee el núcleo de cualquier elemento químico,

puede distribuirse uniformemente o no, sobre una superficie dada. Cuando la

superficie del núcleosobre la que se distribuye esta carga es esférica, la

distribución será uniforme. Sin embargo no todos los núcleos son

absolutamente esféricos y entonces la distribución de la carga no será

uniforme. En estos últimos casos es cuando existe el momento eléctrico

cuadrupolar, ya que el núcleo tiene un comportamiento que depende de la

dirección en que se acerca a él una carga dada. Como consecuencia de la no

uniformidad de carga, los núcleos que no son esféricos tienen formas de

prolato cuando están ensanchados hacia los polos de un eje imaginario de giro

y de oblato cuando este ensanchamiento ocurre en el ecuador. Los momentos

eléctricos cuadrupolares son positivos en los núcleos de forma de prolato y

negativos para aquellos que estén en forma de oblato. El momento eléctrico

cuadrupolar es tema de una técnica espectrometrica diferente a la RMN, pero

debe de tenerse en cuenta cuando se estudia espectros de RMN, ya que el

momento eléctrico cuadrupolar contribuye al ensanchamiento de las señales de

resonancia. En principio, el hecho de que el neutrón tenga un spin nuclear es

contradictorio con su falta de carga. Sin embargo, se supone que el neutrón

esta disociado en un protón y en un mesón negativo durante parte de su tiempo

de vida.

ORIENTACIÓN DE UN NÚCLEO EN UN CAMPO MAGNÉTICO

Todos los núcleos tienen carga y masa los que poseen un número

atómico impar o /y un número másico impar tienen también spin.

- Núcleos con spin: 11H, 13

6C, 147N y 17

8O. …

- Núcleos sin spin:126C, 16

8O. ….

Cualquier núcleo que posea espín se puede estudiar por RMN, pero en

este tema nos limitamos sólo al núcleo 11H (protón.

Un protón tiene un número cuántico de espín de 1/2 y puede

considerarse como un pequeño imán. En ausencia de un campo magnético,

todos los protones están orientados al azar en todas las direcciones. En

presencia de un campo magnético el spin protónico adopta dos orientaciones

posibles, una paralela a la dirección del campo externo, de menor energía, y

otra anti paralela al campo de mayor energía. La diferencia de energía de estas

dos orientaciones es proporcional a la fuerza del campo magnético externo

(H0)

ΔE= kHok= hγ

2π

Siendo la razón giro magnética (constante para un núcleo dado. El

cambio de orientación puede hacerse mediante la absorción de un cuanto de la

radiación electromagnética adecuada.

E= hν

La energía necesaria para conseguir el cambio de orientación del spin

nuclear es la suministrada por la zona de radiofrecuencia del espectro

electromagnético (10-100 MHz).

Combinando las ecuaciones anteriores hallamos: ν= γ

2πHo

Estas ecuaciones indican que cuando se colocan protones en un campo

magnético que tiene una fuerza determinada, existirá una frecuencia definida

de separación entre los dos niveles d energía. Así un campo de 14.000 gauss

requiere una frecuencia de 60 MHz (región de radiofrecuencia del espectro

electromagnético) para que ocurran transiciones entre las dos orientaciones. La

unidad Hz son ciclos por segundo, c.p.s, y MHz son 106c.p.s. En un campo de

23.500 gauss se necesitan 100 MHz, y en uno de 47.000 gauss, 200 MHz. En

la figura 1, se representa la separación de los niveles de energía de spin de un

núcleo de hidrógeno en función del campo magnético externo (H0).

Para

obtener un espectro de RMN, la muestra se coloca en el campo de un

electroimán y se aplica una radiofrecuencia haciendo pasar una corriente a

través de una bobina que rodea a la muestra (figura 2). Se incrementa

lentamente el campo magnético (H0) y los cambios de orientación de los

núcleos se detectan en forma de voltaje inducido, como resultado de la

absorción de energía proporcionada por la radiofrecuencia.

Los núcleos que han pasado del estado de baja energía al de alta

energía por acción de la radiofrecuencia, caen espontáneamente al estado de

baja energía y pueden volver a ser excitados. Un espectro de RMN es la

representación gráfica del voltaje inducido en función de la variación del campo

magnético. El área del pico depende del número total de núcleos que cambian

de orientación.

APANTALLAMIENTO DE LOS NUCLEOS DE HIDRÓGENO

Si todos los núcleos de hidrógeno absorbieran energía en campos de

idéntica fuerza y a una frecuencia dada, la espectroscopia RMN sería

únicamente un método para análisis cuantitativo de protones. En realidad es

mucho más ya que la fuerza del campo a la que absorbe un determinado

protón depende de lo que le rodea, es decir, de la estructura molecular.

Los electrones de los enlaces sometidos al campo magnético externo Ho

giran constantemente alrededor del protón en un plano perpendicular al de

dicho campo. Cualquier carga eléctrica en movimiento genera un campo

magnético inducido que generalmente se opone al campo externo (fig.2). Se

dice que los electrones que rodean al protón lo apantallan si el campo inducido

se opone al externo, es decir, los electrones protegen al núcleo de los efectos

del campo externo. Cuando el campo inducido se suma al campo externo, se

dice que los electrones desapantallan el núcleo.

Los núcleos de hidrógeno estarán según sus alrededores diferentemente

apantallados o des apantallados y como resultado de ello el protón estará

sometido a un campo magnético neto o efectivo:

Hneto = Hexterno - Hinducido

Esta diferencia entre el campo magnético externo y el campo inducido

hace que el aparato no vea a todos los hidrógenos iguales, así al realizar el

barrido del campo magnético los distintos protones cambian de orientación a

diferente fuerza de campo dependiendo de cómo estén de apantallados.

La magnitud del apantallamiento depende de la densidad electrónica

alrededor del núcleo de hidrógeno. Por ejemplo los protones del yoduro de

metilo estarán mas apantallados que los del metanol porque la

electronegatividad del oxígeno es mayor que la del yodo.

El espectro de RMN de un compuesto permite, por lo tanto conocer no

sólo la proporción relativa de las diferentes clases de protones presentes, sino

también conocer los alrededores de cada protón.

DESPLAZAMIENTO QUÍMICO.

En la descripción del fenómeno RMN, se ha llegado a un punto en el que

la frecuencia de resonancia de los núcleos de isotopos determinados es una

función del campo magnético aplicado. Este concepto es el que se emplea en

la llamada resonancia magnética nuclear de línea ancha, que es simplemente

un método espectrometrico no destructivo de análisis tanto cualitativo como

cuantitativo, entre cuyas aplicaciones mas sensacionales se encuentra el

análisis de rocas lunares traídas a la Tierra por la tripulación del Apolo XI.

En resumen, son las posiciones de resonancia de los protones en el

espectro. No todos los enlaces son iguales y el campo inducido es diferente en

cada caso, esto hace que en el espectro aparezcan distintas señales a distintas

posiciones. Era necesario diseñar algo cuantitativo para medir el mucho o el

poco apantallamiento.

Las posiciones de resonancia de un protón se miden por comparación

con la posición de resonancia de los 12 H+ equivalentes de una sustancia de

referencia (TMS) tetrametilsilano (CH3)4Si. Sus 12 protones resuenan dando

una señal única y nítida a campos más altos que cualquier otro compuesto

orgánico ya que el silicio es más electropositivo que los átomos de los

compuestos orgánicos. La señal de TMS no interfiere y aparece en el extremo

del espectro de mayor campo.

Sin embargo, al químicoorgánico la RMN le seria de muyescasa utilidad

si solo le sirviera como una técnica eficiente para detectar los isotopos de

muchos elementos químicos. Afortunadamente la posición de resonancia de

una señal dada dependetambién, aunque en grado pequeño, del contorno

químico en que se encuentra el núcleo observado. Esta dependencia es la que

le resulta extraordinariamente útil y sirve de base a la resonancia magnética

nuclear de alta resolución, que tanto ha contribuido al desarrollo de la química

de hoy día. El contorno químico de un elemento dado, o sea su naturaleza de

otros átomos que se encuentren en la molécula a distancia relativamente

cercanas al núcleo observado, tiene un cierto efecto, ya que los electrones

presentes pueden formar una pantalla magnética tal que el campo magnético

que experimenta el núcleo observado resulta ligeramente diferente del campo

magnético aplicado. Estos efectos se conocen como fenómenos de protección

y son la causa del llamado desplazamiento químico, o sea la separación entre

una señal se resonancia de interés y otra señal arbitrariamente escogida como

termino de referencia. Si la señal de referencia corresponde a un núcleo

aislado, el desplazamiento químico es igual a la constante de protección, o sea

la diferencia entre el campo aplicado y el campo que realmente se manifiesta

en el núcleo.

En la presencia del campo magnético principal (HO), los electrones que

giran alrededor del núcleo, estarán sujetos a ciertos movimientos que producen

las llamadas corrientes magnéticas inducidas. La fuerza de la corriente

inducida es desde luego menos que la del campo magnético principal que la

indujo, pero es proporcional a la de este. Por efecto de estas corrientes

diamagnéticas locales, el campo magnético aplicado, ya que se trata de

corrientes electrónicas de circulación opuesta al campo magnético principal.

Esto trae por consecuencia que para que se produzca el fenómeno de

resonancia, el campo magnético principal deberá ser incrementado en un cierto

valor para compensar el campo magnético inducido que se le opone y por ello

las señales de resonancia aparecerán las altos. En estos casos se dice que la

protección diamagnética es una protección positiva. La demostración

experimental de lo anterior la brinda el hecho de que es posible establecer

relaciones lineales entre el desplazamiento químico de algunas señales y la

electronegatividad del grupo, e altera la densidad electrónica de los núcleos

observados.

Aparte de la protección diamagnética o protección `positiva hay otro tipo

de protección denominada paramagnética, la que fundamentalmente depende

de la orientación de que un grupo dado tenga respecto al campo magnético.

Las circulaciones paramagnéticas también producen un pequeño campo

magnético secundario, que ahora es paralelo y en el mismo sentido que el

campo magnético principal (HO). La señal de la resonancia aparecerá en

campos más bajos, que ya el núcleo soporta ahora de intensidad del campo

paramagnético inducido y del campo magnético principal, por lo que este tipo

de fenómeno corresponde a una protección negativa o una desprotección.

Desde el punto de vista general, el desplazamiento químico de los

protones se ve afectado por su posición relativa a grupos capaces de crear

zonas de protección o de desprotección. Se dice que protones que muestran

sus señales más altas, se encuentran en zonas de protección positiva y

aquellos que originan señales a campos bajos, en zonas de protección

negativa.

Los mecanismos de protección son en todo caso el resultado de

corrientes inducidas, que son proporcionales a la intensidad del campo

magnético aplicado y que confieren a la resonancia magnética nuclear su gran

utilidad técnica.

El desplazamiento químico de un núcleo de hidrógeno determinado es la

diferencia entre la fuerza del campo a la que absorbe el protón y la fuerza del

campo a la que absorben los protones del patrón TMS. Las distintas señales

se dice que presentan un cierto desplazamiento químico respecto a la

referencia interna.

Para describir los desplazamientos químicos se utiliza la escala delta ()

que se obtiene dividiendo el desplazamiento químico observado en Hz por la

frecuencia del espectro utilizado en Hz y se obtiene en partes por millón

(ppm)

δ=Desplazamiento observado(Hz ) .106

Frecuencia delespectrometro(Hz )( ppm)

Ejemplo:

Si en un espectro de 60 MHz el desplazamiento químico de un protón

con relación al TMS es de 200 Hz, ¿cuál es el desplazamiento químico

expresado en ?

δ=200 .106

60 .106= 3 ,34 ppm

El desplazamiento químico de un protón determinado es siempre el

mismo en las mismas condiciones (disolvente, temperatura, etc.), y no depende

de la frecuencia del aparato utilizado en la medida.

Al pico del TMS se le asigna un valor de = 0,000 ppm, y se define una

escala hasta = 10 ppm. (Figura 4)

Los términos apantallado y des apantallado se utilizan para indicar que

un núcleo absorbe a valores de, más bajos o más altos, que otro núcleo. Por

ejemplo se dice que los protones metílicos de CH3O- están mas des

apantallados que los de CH3-C-.

La región de campos bajos de un espectro de RMN es la de altos

valores de , y la región de campos altos, la de valores de pequeños.

En la tabla anterior se presentan algunos ejemplos de desplazamientos

químicos de protones situados en distintos ambientes químicos.

Los desplazamientos químicos de los protones hidroxílicos de los

alcoholes se hallan generalmente en la región = 5,0-0,5. La posición depende

de los puentes de hidrógeno según la concentración de la muestra, igual les

ocurre a los protones de los grupos amino.

Los espectros de RMN, dan aún más información ya que el aparato es

capaz de medir el área bajo curva, es decir de integrar y suministra esta

información en forma de escalones. La altura de cada escalón es proporcional

al área del pico registrado durante ese salto. Las alturas de los saltos

corresponden al número relativo de protones de cada clase.

Así el espectro de RMN del t-butil metil éter (figura 5) muestra sólo dos

picos de áreas relativas 1:3. Los protones del grupo metilo unido a oxigeno son

responsables del pico a = 3,12 y los del grupo t-butilo del pico a = 1,12 ppm.

La figura 6 representa el espectro de RMN del 2,2-dimetilpropanol, un

isómero del t-butil metil éter, se observan tres picos correspondientes a los tres

tipos de protones equivalentes de áreas relativas 1:2:9

ACOPLAMIENTO SPIN-SPIN

Si tenemos un núcleo de hidrógeno que a tres enlaces de distancia no

hay ningún hidrógeno más. Este núcleo dará un pico sin desdoblar, llamado

singlete (s)

Si el núcleo de hidrógeno (H) tiene un solo hidrógeno vecino (Ha) a 3

enlaces de distancia. El núcleo H sufrirá el campo aplicado H0 y el producido

por Ha. El protón Ha puede tener dos orientaciones con respecto al campo

aplicado: paralela y anti paralela. En la mitad de las moléculas el campo creado

por Ha se adicionará a H0 y para que en H siga existiendo el mismo campo

neto, el campo externo tendrá que ser menor, apareciendo un pico a campos

más bajos que . En la otra mitad de las moléculas el campo creado por Ha se

opone a H0 y para que ese protón sienta el mismo campo neto, el H0 tendrá que

tener un valor mayor y aparece un segundo pico a campo mas alto que . Las

intensidades relativas de los dos picos son idénticas, la señal se llama doblete

(d). La separación entre los picos desdoblados se denomina constante de

acoplamiento J (Hz)

Lo que ha sucedido es el llamado "Acoplamiento spín-spín", cada protón

tiene spin y se comporta como un imán, con dos orientaciones distintas al

aplicar un campo externo, la mitad de los protones se orientan con spin

paralelo y la otra mitad con spin anti paralelo al campo y el campo neto del

protón será en un caso menor y en otro mayor al campo externo.

Si el hidrógeno H tiene a tres enlaces de distancia dos hidrógenos

vecinos Ha y Hb se producirá el acoplamiento spin-spin entre ellos y la señal

aparecerá desdoblada en tres picos, triplete (t). Las áreas de los picos

desdoblados serán 1:2:1.

De todo esto se puede deducir la siguiente regla general: si un protón

(H) tiene n protones vecinos sobre los carbonos adyacentes, su absorción

estará desdoblada en (n+1) picos. El valor de (n+1) recibe el nombre de

multiplicidad.

- Los acoplamientos spín-spín son recíprocos cada H influye en los

H vecinos.

- El acoplamiento entre átomos de hidrógeno ocurre cuando hay

hidrógenos separados por tres enlaces , si la separación es de 4-5.. enlaces no

hay acoplamiento.

- A un enlace de distancia, no hay moléculas orgánicas con átomos

de hidrogeno separados a un enlace de distancia

- A dos enlaces de distancia los hidrógenos son equivalentes y no

se acoplan

- Los hidrógenos equivalentes no sufren acoplamiento spín-spín, no

se acoplan.

- Sólo hay acoplamiento entre hidrógenos a tres enlaces de

distancia que no sean equivalentes.

TÉCNICAS BÁSICAS DE ESPECTROMETRÍA RMN

Cuando se sitúan dentro de un campo magnético, los núcleos activos de RMN

(como el 1 H, o el 13 C) absorben a una frecuencia característica del isótopo.

La frecuencia de resonancia, la energía de la absorción y la intensidad de la

señal son proporcionales a la fuerza del campo magnético. Por ejemplo, en un

campo magnético de 21 Tesla, los protones resuenan a 900 MHz. Es común

referirse a un imán de 21 T como imán de 900 MHz, aunque distintos núcleos

resuenan a una frecuencia diferente en este campo.

En el campo magnético terrestre, los mismos núcleos resuenan en frecuencias

de audio. Este efecto se utiliza en los espectrómetros RMN y otros

instrumentos. Debido a que estos instrumentos son fáciles de transportar y

baratos, a menudo se utilizan para la enseñanza y el trabajo de campo.

ACOPLAMIENTO-J

Parte de la información más útil para determinar la estructura en un espectro

RMN unidimensional proviene del acomplamiento-J o acoplamiento escalar (un

caso especial de acoplamiento espín-espín) entre los núcleos activos de RMN.

Este acoplamiento surge de la interacción de los diferentes estados espín a

través de los enlaces químicos de una molécula, y resulta en la división de

señales RMN. Estos patrones de división pueden ser complejos o simples y,

del mismo modo, pueden ser interpretables o engañosos. Este acoplamiento

proporciona información detallada sobre la conectividad de los átomos en una

molécula.

El acoplamiento a núcleos equivalentes n (espín ½) divide la señal en un

multiplete n + 1 con ratios de intensidad que siguen el triángulo de Pascal. El

acoplamiento a espines adicionales conducirá a nuevas divisiones de cada uno

de los componentes del multiplete; por ejemplo, el acoplamiento a dos núcleos

diferentes de espín ½ , con constantes de acoplamiento muy distintas,

conducirá a un doblete de dobletes (abreviatura: dd). Hay que tener en cuenta

que el acoplamiento entre núcleos que son químicamente equivalentes (es

decir, que tienen el mismo desplazamiento químico) no tiene efecto de los

espectros RMN, y los acoplamientos entre núcleos que son distantes (por lo

general más de 3 enlaces en moléculas flexibles) suelen ser demasiado

pequeños para observar divisiones. Los acoplamientos de largo alcance, de

más de tres enlaces, se observan a menudo en compuestos aromáticos y

cíclicos, conduciendo a patrones de división más complejos.

Por ejemplo, en el espectro de protones para el etanol que se ha descrito

anteriormente, el grupo CH3 se divide en un triplete con una relación de

intensidad de 1:2:1 mediante los dos protones CH2 vecinos. Del mismo modo,

el CH2 se divide en un cuarteto con una relación de intensidad de 1:3:3:1

mediante los tres protones CH3 vecinos. En principio, los dos protones CH2

también se dividen de nuevo en un doblete para formar un doblete de cuartetos

mediante el protón hidroxilo, pero el intercambio intermolecular del protón

hidroxilo acídico a menudo resulta en una pérdida de información del

acoplamiento.

El acoplamiento a cualquier núcleo de espín ½, tal como el fósforo-31 o el flúor-

19, funciona de esta manera (aunque las magnitudes de las constantes de

acoplamiento pueden ser muy diferentes). Pero los patrones de división difieren

de los descritos anteriormente para los núcleos con espín superior a ½ debido

a que el número cuántico de espín tiene más de dos valores posibles. Por

ejemplo, para el acoplamiento al deuterio (un núcleo de espín 1) divide la señal

en un triplete 1:1:1, porque el espín 1 tiene tres estados de espín. Del mismo

modo, un núcleo de espín 3/2 divide una señal 1:1:1:1 en un cuarteto y así

sucesivamente.

El acoplamiento combinado con el desplazamiento químico (y la integración de

protones) nos dice no sólo el entorno químico de los núcleos, sino también el

número de núcleos activos RMN vecinos en la molécula. En los espectros más

complejos, con múltiples picos en desplazamientos químicos similares, o en el

espectro de núcleos distintos del hidrógeno, el acoplamiento es a menudo la

única manera de distinguir núcleos diferentes.

ACOPLAMIENTO DE SEGUNDO ORDEN (O FUERTE)

La descripción anterior asume que la constante de acoplamiento es pequeña

en comparación con la diferencia en frecuencias RMN entre los espines

inequivalentes. Si la separación del desplazamiento disminuye (o la fuerza del

acoplamiento aumenta), los patrones de intensidad del multiplete se

distorsionan, y luego se vuelven más complejos y difíciles de analizar

(especialmente si más de dos espines están involucrados). La intensificación

de algunos picos en un multiplete se logra a expensas del resto, que a veces

casi desaparece en el ruido de fondo, aunque el área integrada bajo los picos

se mantenga constante. En la mayoría de RMN de alto campo, sin embargo,

las distorsiones suelen ser modestas y las distorsiones características (techo)

pueden ayudar a identificar los picos.

Los efectos de segundo orden disminuyen cuando la diferencia de frecuencia

entre multipletes aumenta, por lo que el espectro RMN de alto campo (es decir,

de alta frecuencia) muestra menos distorsión que los espectros de frecuencia

menor. Los primeros espectros a 60 MHz eran más propensos a la distorsión

que los espectros de máquinas posteriores que operan en frecuencias de 200

MHz o superiores.

INEQUIVALENCIA MAGNÉTICA

Pueden ocurrir efectos más sutiles si los espines químicamente equivalentes

(es decir, núcleos relacionados por simetría y con la misma frecuencia RMN)

tienen diferentes relaciones de acoplamiento respecto a los espines externos.

Los espines que son químicamente equivalentes pero no son indistinguibles

(sobre la base de sus relaciones de acoplamiento) se denominan espines con

inequivalencia magnética. Por ejemplo, los sitios 4 H del 1,2-diclorobenceno se

dividen en dos pares químicamente equivalentes por simetría, pero un individuo

miembro de uno de los pares tiene diferentes acoplamientos a los espines que

componen el otro par. La inequivalencia magnética puede dar lugar a espectros

muy complejos que sólo pueden ser analizados mediante modelado

computacional. Estos efectos son más comunes en los espectros RMN de

sistemas aromáticos y otros no flexibles, mientras que el promedio

conformacional de los enlaces CC en moléculas flexibles tiende a igualar los

acoplamientos entre protones en carbonos adyacentes, reduciendo los

problemas con la inequivalencia magnética. 

ESPECTROMETRÍA DE CORRELACIÓN

La espectrometría de correlación es uno de los diversos tipos de

espectrometría de resonancia magnética nuclear (RMN) bidimensional. Este

tipo de experimento RMN es mejor conocido por su acrónimo, COSY. Otros

tipos de espectrometría RMN bidimensional son la espectrometría-J, la de

intercambio (EXSY), la de efecto Overhauser nuclear (NOESY), la de

correlación total (TOCSY), y experimentos de correlación heteronuclear como

el HSQC, HMQC y HMBC. Los espectros bidimensionales RMN proporcionan

más información acerca de una molécula que los espectros RMN

unidimensionales, y son especialmente útiles para determinar la estructura de

la molécula, en particular para moléculas que son demasiado complicadas para

la RMN unidimensional. El primer experimento bidimensional, COSY, fue

propuesto por Jean Jeener, un profesor de la Université Libre de Bruxelles, en

1971. Este experimento fue posteriormente implementado por Walter P. Aue,

Enrico Bartholdi y Richard R. Ernst, que publicaron sus trabajos en 1976. 

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE ESTADO SÓLIDO

Una variedad de circunstancias físicas impide que las moléculas sean

estudiadas en solución, ni tampoco mediante otras técnicas

espectroscópicas a un nivel atómico. En los medios de fase sólida, tales

como cristales, polvos micro cristalinos, geles, soluciones anisotrópicas,

etc, se da en particular el acoplamiento dipolar y la anisotropía de

desplazamiento químico, que se convierten en dominantes para el

comportamiento de los sistemas de espín nuclear. En la espectrometría

RMN convencional en estado de solución, estas interacciones

adicionales darían lugar a una ampliación considerable de las líneas

espectrales. Diversas técnicas permiten establecer condiciones de alta

resolución, que pueden, al menos para los espectros de 13 C, ser

comparables a los espectros RMN en estado de solución.

Dos conceptos importantes para la alta resolución en la espectrometría

RMN de estado sólido son la limitación de la posible orientación

molecular mediante orientación de la muestra, y la reducción de las

interacciones magnéticas nucleares anisotrópicas mediante giro de la

muestra. De este último enfoque, destaca el método del giro rápido en

torno al ángulo mágico, cuando el sistema está compuesto por núcleos

de espines 1/2. Una serie de técnicas intermedias, con muestras de

alineamiento parcial o movilidad reducida, se están utilizando también

en espectrometría RMN.

Las aplicaciones de la RMN de estado sólido suelen utilizarse en

investigaciones sobre proteínas de la membrana, fibrillas de proteínas,

todo tipo de polímeros, análisis en química inorgánica, y también otras

más "exóticas" como las hojas de plantas y las pilas de combustible. 

APLICACIONES DE RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR

USO DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR EN LA

MEDICINA

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es un fenómeno físico

basado en las propiedades magnéticas que poseen los núcleos

atómicos permitiendo alinear los campos magnéticos de diferentes

átomos en la dirección de un campo magnético externo. La respuesta a

este campo externo depende del tipo de núcleos atómicos por lo que

esta técnica puede utilizarse para obtener información sobre una

muestra., y en general, las moléculas mas utilizadas son el Hidrógeno-1

y el Carbono-13.

La resonancia magnética nuclear hace uso de las propiedades de

resonancia aplicando radiofrecuencias a los átomos o dipolos entre los

campos alineados de la muestra y permite estudiar la información

estructural o química de una muestra. La RMN se utiliza también en el

campo de la investigación de computadoras cuánticas. Sin embargo sus

aplicaciones más frecuentes se encuentran ligadas al campo de la

medicina, para la obtención de imágenes del cuerpo, además esta

técnica cada día va ganando mas terreno sobre otras, como la

Tomografía Computarizada, pues la RM es mucho mas inocua que la

TC.

Introducción

La Resonancia Magnética nuclear es una técnica utilizada en la

actualidad para obtener imágenes por medio de la polarización de las

moléculas de un cuerpo, por medio de un campo magnético intenso,

este fenómeno esta basado en las propiedades magnéticas de los

núcleos atómicos.

El principal uso de la Resonancia Magnética (RM), es el de

obtener imágenes del interior de los seres vivos principalmente el ser

humano, aunque también se utiliza dentro de la medicina veterinaria,

para un diagnóstico de alguna enfermedad o malfuncionamiento de un

órgano o un aparato sin necesidad de una intervención o técnica

invasiva, aunque como se verá mas adelante existe un procedimiento

en donde la RM es invasiva, pero en su mayoría los procedimientos

utilizados son no invasivos e inocuos. Su uso en este campo es reciente

debido a que va muy ligado con el aumento de la velocidad de

procesamiento de las computadoras por lo que la RM es una técnica

que lleva desarrollándose desde los últimos 70 años.

Objetivos

Conocer los principales usos de la Resonancia Magnética

Nuclear en la medicina actual, así como la forma en que fue

desarrollándose a lo largo de la historia, los procesos físicos que

intervienen y las ventajas que presenta la Resonancia Magnética

nuclear contra otras técnicas para obtención de imágenes, como la

Tomografía Computarizada.

Se pretende por lo tanto hablar de manera sencilla y concreta

sobre la RMN para que se pueda entender la importancia de esta

técnica y los avances que se han logrado en los últimos años para su

mejoramiento lo que trae como consecuencia una muy importante

ayuda para el diagnóstico médico.

El presente trabajo se divide en: un Marco Teórico donde se

habla sobre la historia de la Resonancia Magnética Nuclear y se van

introduciendo y explicando algunos de los procesos físicos que se

fueron juntando para poder llegar a los aparatos de RMN con los que se

cuenta actualmente. Posteriormente se muestran algunos de los

diferentes procedimientos utilizados para la RMN, su uso en la medicina

y algunas cuestiones de seguridad.

Marco Teórico

Para llegar a los actuales aparatos de Resonancia Magnética se

ha recorrido un largo camino durante los últimos dos siglos, pues desde

las investigaciones de las propiedades magnéticas de la sangre de

Michael Faraday hasta los nuevos aparatos para tomar imágenes del

cerebro se ha caminado un largo trecho.

Las investigaciones básicas que dieron lugar a la resonancia

magnética se iniciaron en una serie de laboratorios de física en las

primeras décadas del siglo XIX, sin embargo el camino hacia su

descubrimiento comenzó con las primeras investigaciones sobre la

naturaleza del átomo. Aunque el concepto de átomo se remonta hasta

la Grecia antigua, ha sido en los últimos cien años aproximadamente

cuando se ha adquirido un conocimiento objetivo de su existencia y de

las partes que lo forman. En 1897, el físico J. J. Thomson, de la

Universidad de Cambridge (Inglaterra), descubrió el electrón. Durante

las dos décadas siguientes, una serie de destacados físicos, entre los

que se incluyen Max Planck, Ernest Rutherford, Niels Bohr, Erwin

Schrodinger y Werner Heisenberg, se basaron en los trabajos de unos y

otros para avanzar en el estudio de la estructura y propiedades del

átomo y las partículas atómicas. Con ello, revolucionaron la física y

elaboraron una teoría y un lenguaje nuevos conocidos como mecánica

cuántica.

En 1929, Isidor Isaac Rabi comenzó a impartir clases de

mecánica cuántica en la Universidad de Columbia. Durante la década

siguiente, su equipo de investigación utilizó una técnica denominada

resonancia de haces moleculares para estudiar las propiedades

magnéticas de los átomos y las moléculas. En la época en la que Rabi

realizó estos experimentos, los físicos sabían que los núcleos atómicos

estaban compuestos por dos tipos de partículas: protones con carga

positiva y partículas neutras denominadas neutrones. Alrededor de este

núcleo formando como una especie de nube se encontraban los

electrones, cuya carga era negativa. Los físicos también habían

descubierto que los electrones, los protones, los neutrones y, en

muchos casos, los núcleos en sí, se comportaban como si giraran sobre

su eje, al igual que los planetas. Esto llevó al descubrimiento de una

propiedad denominada momento angular de espín, que cuenta con

magnitud y dirección. Una partícula giratoria de este tipo genera un

campo magnético y un "momento magnético" asociado y actúa como

una pequeña barra magnética con polos positivo y negativo. Si se

coloca en un campo magnético externo potente, el "momento

magnético" de un núcleo tiende a alinearse con (en paralelo) o contra

(en sentido antiparalelo) el campo externo. La alineación paralela

corresponde a un estado de energía inferior a la alineación antiparalela.

Los experimentos de Rabi consistían en hacer pasar un haz de

moléculas de cloruro de litio a través de una cámara de vacío y

manipular el haz con distintos campos magnéticos. Al estudiar cómo

afectaba el campo magnético a la trayectoria de las moléculas, Rabi

pudo adquirir nuevos conocimientos acerca de las magnitudes del

momento magnético del núcleo. Rabi previó que, con el estímulo

apropiado, los momentos magnéticos de los núcleos podían invertirse o

cambiar su orientación en relación al campo magnético. En 1937,

siguiendo los consejos del físico holandés Cornelius J. Gorter, Rabi y su

equipo añadieron un nuevo elemento a sus experimentos: sometieron

un haz molecular a ondas de radio (señales electromagnéticas dentro

del intervalo de la radiofrecuencia o la radiodifusión) mientras variaban

la potencia del campo magnético.

Rabi y su equipo ajustaron la potencia del campo magnético

hasta hacer que los momentos magnéticos de los núcleos se invirtieran,

lo que sucede cuando la frecuencia de la señal de radio coincide con la

frecuencia precesional característica de los núcleos. Cuando se produce

esta coincidencia (la frecuencia de resonancia), un núcleo absorbe

energía de la señal de radio igual a la diferencia entre sus dos estados

de energía y, por tanto, salta al estado superior. También se produce

una inversión cuando un núcleo emite dicha energía al pasar de nuevo

del estado superior de energía al inferior. Rabi podía detectar la

transición tanto si el núcleo saltaba al estado de energía superior como

si descendía al inferior. Esta técnica se denomina en la actualidad

resonancia magnética o, de forma más precisa, resonancia magnética

de haces moleculares.

El equipo de Rabi empleó esta nueva técnica para deducir

detalles hasta ahora desconocidos acerca de las interacciones internas

de las moléculas. Descubrieron una serie de resonancias dentro de una

molécula simple que les permitió "ver" cómo los átomos individuales

están unidos entre sí y cómo sus núcleos se ven afectados por los

átomos vecinos. Estos extraordinarios experimentos y el desarrollo de la

resonancia magnética de haces moleculares como técnica de estudio

de las propiedades magnéticas y la estructura interna de moléculas,

átomos y núcleos le valieron a Rabi el premio Nobel de física en 1944.

Varios meses después de realizar estos experimentos, el equipo

de Rabi intentó una variación: manipular la frecuencia de radio en lugar

de la potencia del campo magnético. Este método, que amplía el

espectro de las señales resultantes al igual que se amplía el espectro

de la luz visible al pasar por un prisma, es la base de la espectroscopia

de radiofrecuencias, que revolucionaría el análisis químico y resultaría

ser un componente esencial en el desarrollo de las exploraciones

mediante resonancia magnética como herramienta de diagnóstico

médico.

Sin embargo durante el transcurso de la Segunda Guerra Mundial

se interrumpieron las investigaciones sobre RMN, pero en los años

posteriores se produjeron importantes avances. En Estados Unidos, dos

grupos de físicos se propusieron por separado desarrollar un método

más simple para observar la resonancia magnética en los núcleos de

moléculas de líquidos y sólidos en lugar de en moléculas aisladas como

en los experimentos de Rabi. Edward Purcell fue el encargado de dirigir

la investigación de la Universidad de Harvard y FelixBloch fue el

encargado de la Universidad de Stanford. Purcell trabajo en la mejora

del Radar durante la Segunda Guerra Mundial en el Instituto de

Tecnología de Massachussets, investigando sobre todo la producción y

detección de la energía producida por las radiofrecuencias, lo que

probablemente le ayudó a entender estos fenómenos.

Tanto Purcell como Bloch decidieron estudiar el protón, el núcleo

del átomo de hidrógeno (H). Al estar compuesto por un único protón, el

núcleo del hidrógeno posee un momento magnético considerable. El

hidrógeno se convertiría enel elemento más importante para la

resonancia magnética debido a sus propiedades nucleares favorables,

su presencia casi universal y su abundancia en el cuerpo humano como

parte del agua (H2O). El equipo de Purcell utilizó un bloque de 90 g de

parafina como fuente de hidrógeno, mientras que el equipo de Bloch

empleó unas gotas de agua contenidas en una esfera de cristal. Los dos

equipos de investigación colocaron las muestras en un campo

magnético y esperaron a que los núcleos alcanzaran un equilibrio

magnético y térmico, un estado magnetizado en el que los núcleos se

alinean ligeramente más en paralelo al campo externo que en sentido

antiparalelo. A continuación, al igual que hizo el equipo de Rabi, los

equipos de investigación aplicaron ondas de radio para provocar que los

momentos magnéticos de los núcleos de las muestras se invirtieran.

Purcell y Bloch esperaban detectar resonancia magnética al observar la

energía que los núcleos en precesión absorbían o cedían al campo de

frecuencia de radio cuando se propiciaban las condiciones de

resonancia.

En 1945, ambos grupos lograron crear, con tres semanas de

diferencia, las condiciones necesarias para observar el fenómeno. Sus

experimentos demostraron lo que técnicamente se conoce como

resonancia magnética nuclear en materia condensada, para distinguirlo

del descubrimiento de Rabi, la resonancia magnética de haces

moleculares. En 1952, Bloch y Purcell compartieron el premio Nobel de

física por estos experimentos.

Las investigaciones en resonancia magnética nuclear siguieron

avanzando. Los investigadores que formaban parte de los laboratorios

de Purcell y Bloch pronto comenzaron a utilizar la espectroscopia de la

resonancia magnética nuclear para investigar la composición química y

la estructura física de la materia. Uno de los primeros avances en este

sentido fue la medición de las cantidades denominadas tiempos de

relajación, T1 y T2; T1 es el tiempo que tardan los núcleos de las

muestras experimentales en volver a su alineación original o estado de

equilibrio, mientras que T2 es la duración de la señal magnética

obtenida de la muestra. Es posible que el núcleo se mantenga en este

estado y que no tenga la diferencia requerida para dar el vector de

magnetización en un estado termodinámico a causa de esto T1 es

siempre mayor (o menor) que T2. En el espectro de la RMN, T2 define

el ancho de la señal de RMN, y mientras un núcleo tenga un tiempo T2

largo, la señal RMN es muy alta. La longitud de los tempos T1 y T2

están también relacionados con el movimiento molecular.

Uno de los primeros alumnos de Purcell en graduarse,

NicolaasBloembergen, que había llegado a Harvard desde Holanda en

1946, jugó un papel decisivo junto a Pound y Purcell en esta

investigación. Bloembergen fue el primer investigador en medir los

tiempos de relajación de forma precisa y, junto a Purcell y Pound,

también midió el modo en que estos tiempos cambiaban en gran

variedad de líquidos y sólidos. Afortunadamente para futuras

investigaciones y aplicaciones, los tiempos de relajación pueden

medirse en segundos o fracciones de segundo, convirtiendo a la

resonancia magnética nuclear en una herramienta de investigación

enormemente práctica.

Bloembergen, Purcell y Pound publicaron un artículo en 1948 que

ejerció una gran influencia en varias ramas de la física. La manipulación

de los tiempos de relajación ha proporcionado un método de gran

eficacia en química y biología para analizar la estructura de las

moléculas y, como otros investigadores descubrirían más tarde, resulta

esencial para producir el contraste necesario para la obtención de

imágenes de tejidos del cuerpo humano.

A finales de la década de 1940, Henry Torrey de la Universidad

de Rutgers y, de forma independiente, Erwin Hahn de la Universidad de

Illinois, llevaron a cabo un nuevo avance en el campo de la resonancia

magnética nuclear al aplicar a la muestra impulsos de ondas de radio

potentes en lugar de una única onda continua. Primero observaron

señales de resonancia magnética nuclear transitorias durante la

aplicación de impulsos largos. Gracias a las observaciones posteriores

de Hahn acerca de que las señales de resonancia magnética nuclear

transitorias podían medirse después de la aplicación de impulsos cortos,

la técnica de impulsos se convirtió en la opción ideal para físicos y

químicos que investigaban átomos y moléculas.

Además, Hahn descubrió un fenómeno conocido como "eco de

espín", que resultó ser de gran importancia para la medición de los

tiempos de relajación. En un principio, Hahn atribuyó estas señales

aparentemente falsas a un fallo en su equipo electrónico. Tras un

estudio más profundo, reconoció que estaban causadas por la

aceleración y desaceleración de los núcleos giratorios debido a las

variaciones en los campos magnéticos locales. Al aplicar dos o tres

impulsos de radio cortos y, a continuación, escuchar el eco, Hahn

descubrió que podía obtener información aún más detallada sobre la

relajación del espín nuclear de lo que era posible con un único impulso.

La resonancia magnética nuclear con impulsos y los ecos de

espín jugarían un papel esencial en el desarrollo de la resonancia

magnética dos décadas después. En aquel momento, sin embargo, la

idea de utilizar la resonancia magnética nuclear para la obtención de

imágenes simplemente no se le ocurrió a ninguno de los científicos que

utilizaban el espectro de resonancia magnética nuclear en física o

química. De todas formas era necesario que se realizaran algunos

avances para poder llegar a esto, ya que a finales de la década de

1950, Russell Varian, de VarianAssociates, propuso un nuevo método

de impulsos denominado resonancia magnética nuclear con

transformada de Fourier, al mismo tiempo que Irving Lowe y Richard E.

Norberg, de la Universidad de Washington en St. Louis, demostraron

experimental y teóricamente cómo era posible obtener todos los

resultados disponibles de los experimentos con onda continua mediante

la manipulación matemática de las señales producidas en un

experimento con impulsos, pero el problema radicaba en la baja

capacidad de las computadoras en esos tiempos, pues se necesitaba

que se procesara una gran cantidad de datos en un tiempo corto.

A finales de la década de 1960, Richard Ernst y Weston

Anderson, que por entonces trabajaban para VarianAssociates, estaban

estudiando el complejo espectro de resonancia magnética nuclear, de

gran interés para los químicos. El hecho de buscar las frecuencias que

producen la gran cantidad de líneas del espectro mediante el método de

aproximaciones sucesivas hacía que el proceso fuera extremadamente

lento. Estos investigadores se dieron cuenta de que si emitían de forma

simultánea un intervalo de frecuencias de radio a los átomos de la

muestra y, a continuación, realizaban el análisis de Fourier a la señal de

impulso resultante, podían obtener todos los resultados del método de

onda continua. Esta técnica resultaba mucho más rápida que la anterior,

y permitía a los investigadores observar señales hasta diez veces más

débiles. Para entonces, los avances realizados en el campo de la

informática hacían que la transformación de Fourier resultara práctica;

en 1991, R. Ernst ganó el Premio Nobel de Química por esta

contribución.

La aparición de los equipos informáticos de alta velocidad fue

fundamental para el desarrollo de la técnica de obtención de imágenes

por resonancia magnética, ya que permitían gestionar los numerosos y

complejos cálculos que eran necesarios para obtener las imágenes.

Además de estos avances en el campo de la informática, otros tres

avances contribuyeron al nacimiento de la técnica de obtención de

imágenes por resonancia magnética. Uno de estos avances fue el que

realizó el ingeniero electrónico británico GodfreyHounsfield, que en

1971 fabricó un instrumento que combinaba una máquina de rayos X

con un ordenador y empleó algunos principios de reconstrucción

algebraica para explorar el organismo en distintas direcciones,

manipulando las imágenes para obtener una vista transversal del

interior. Hounsfield desconocía que el físico nuclear sudafricano Allan

Cormack había publicado básicamente la misma idea en 1957,

utilizando una técnica de reconstrucción denominada transformada de

radón. Aunque el trabajo de Cormack no tuvo una gran difusión, él y

Hounsfield compartieron en 1979 el premio Nobel de medicina por el

desarrollo de la tomografía computerizada. Los principios

fundamentales de la tomografía computerizada constituyen la base de

muchos de los sofisticados métodos de obtención de imágenes que

existen en la actualidad.

Los otros dos avances que contribuyeron a la obtención de

imágenes por resonancia magnética estaban relacionados con la

resonancia magnética nuclear. Uno fue la conceptualización de la

resonancia magnética nuclear como herramienta de diagnóstico clínico

y el otro la invención de un método práctico para producir imágenes

útiles a partir de los datos de la resonancia magnética nuclear.

Ya en 1959, J. R. Singer, de la Universidad de California,

Berkeley, propuso que la resonancia magnética nuclear podía utilizarse

como herramienta de diagnóstico en medicina. Unos años más tarde,

CarltonHazlewood, del BaylorCollege of Medicine, publicó los resultados

de una serie de trabajos en los que se utilizó la resonancia magnética

nuclear para diagnosticar enfermedades musculares en pacientes

humanos. En 1969, Raymond Damadian, un médico del Downstate

Medical Center de Brooklyn (Nueva York), comenzó a idear la forma de

utilizar esta técnica para detectar los primeros signos del cáncer en el

organismo. En un experimento realizado en 1970, Damadian extirpó una

serie de tumores de rápido crecimiento que se habían implantado en

ratas de laboratorio y comprobó que la resonancia magnética nuclear de

los tumores era diferente de la de los tejidos normales. En 1971,

Damadian publicó los resultados de sus experimentos en la revista

Science. Sin embargo, aún no se había demostrado la fiabilidad clínica

del método de Damadian en la detección o diagnóstico del cáncer.

El gran avance técnico que hizo posible producir una imagen útil

a partir de las señales de resonancia magnética nuclear de tejidos vivos

lo realizó el químico Paul Lauterbur, que a principios de la década de

1970 dirigía la compañía NMR Specialties, ubicada en Pittsburgh. En

1971, Lauterbur observó al químico LeonSaryan repetir los

experimentos de Damadian con tumores y tejidos sanos de ratas.

Lauterbur llegó a la conclusión de que la técnica no ofrecía la

información suficiente para diagnosticar tumores y se propuso idear un

método práctico para obtener imágenes a partir de la resonancia

magnética nuclear. La clave estaba en ser capaz de localizar la

ubicación exacta de una determinada señal de resonancia magnética

nuclear en una muestra: si se determinaba la ubicación de todas las

señales, sería posible elaborar un mapa de toda la muestra.

La idea de Lauterbur consistía en superponer al campo

magnético estático espacialmente uniforme un segundo campo

magnético más débil que variara de posición de forma controlada,

creando lo que se conoce como gradiente de campo magnético. En un

extremo de la muestra, la potencia del campo magnético graduado sería

mayor, potencia que se iría debilitando con una calibración precisa a

medida que se fuera acercando al otro extremo. Dado que la frecuencia

de resonancia de los núcleos en un campo magnético externo es

proporcional a la fuerza del campo, las distintas partes de la muestra

tendrían distintas frecuencias de resonancia. Por lo tanto, una

frecuencia de resonancia determinada podría asociarse a una posición

concreta. Además, la fuerza de la señal de resonancia en cada

frecuencia indicaría el tamaño relativo de los volúmenes que contienen

los núcleos en distintas frecuencias y, por tanto, en la posición

correspondiente. Las sutiles variaciones de las señales se podrían

utilizar entonces para representar las posiciones de las moléculas y

crear una imagen.. Actualmente, los dispositivos de obtención de

imágenes por resonancia magnética utilizan tres conjuntos de bobinas

de gradientes electromagnéticos sobre el sujeto para codificar las tres

coordenadas espaciales de las señales.

Al mismo tiempo Peter Mansfield, de la Universidad de

Nottingham, Inglaterra, tuvo una idea similar. En 1972, Mansfield estaba

estudiando el modo de utilizar la resonancia magnética nuclear para

obtener información detallada acerca de la estructura de materiales

cristalinos. En un trabajo publicado en 1973, Mansfield y sus colegas

también utilizaron un esquema de gradiente de campo. En 1976,

Mansfield desarrolló una técnica ultrarrápida para obtener imágenes con

resonancia magnética conocida como ecoplanar, que permite explorar

todo el cerebro en cuestión de milésimas de segundo. La técnica

ecoplanar es la clave para crear imágenes con resonancia magnética de

forma rápida para el diagnóstico de infartos cerebrales e imágenes con

resonancia magnética funcional en las investigaciones sobre el cerebro.

Mientras tanto, a los resultados de Lauterbur, publicados en

1972, se incorporaba una imagen de la muestra experimental: un par de

tubos de ensayo sumergidos en un vial de agua. Mediante el pequeño

escáner de resonancia magnética nuclear que él mismo había creado (y

una técnica denominada proyección de fondo procedente de la

tomografía computerizada), continuó explorando pequeños objetos. En

1974, valiéndose de un dispositivo de resonancia magnética nuclear

mayor, obtuvo una imagen de la caja torácica de un ratón vivo. En 1975,

Mansfield ya había obtenido imágenes de una serie de tallos de plantas

y de un muslo de un pavo muerto. Al año siguiente, obtuvo la primera

imagen de un dedo humano por resonancia magnética nuclear, en la

que se podía diferenciar el hueso, la médula, los nervios y las arterias.

Damadian, por su parte, también trabajó en la obtención de imágenes.

En 1977, obtuvo una imagen de la caja torácica de un hombre vivo.

A principios de la década de 1980, la gran oleada de

investigaciones relacionadas con la obtención de imágenes por

resonancia magnética dieron lugar a un floreciente sector comercial. El

término "nuclear" se fue poco a poco eliminando del nombre debido a

las connotaciones negativas que esto traía y para hacerlo mucho mas

comercial Los avances en el campo de la informática de alta velocidad y

los imanes superconductores permitieron a los investigadores diseñar

máquinas de resonancia magnética de mayores dimensiones con una

sensibilidad y una resolución inmensamente mejores.

El gran avance que condujo a la resonancia magnética funcional

se produjo a principios de la década de 1980, cuando George Radda y

sus colegas de la Universidad de Oxford, Inglaterra, descubrieron que la

resonancia magnética se podía utilizar para registrar los cambios en el

nivel de oxígeno de la sangre, lo que a su vez podía servir para realizar

un seguimiento de la actividad fisiológica. El principio en el que se basa

la obtención de imágenes con contraste BOLD (del inglés

bloodoxygenleveldependent, dependiente del nivel de oxígeno de la

sangre) fue descrito 40 años antes por Linus Pauling. En 1936, Pauling

y Charles D. Coryell, ambos del California Institute of Technology

(Instituto tecnológico de California), publicaron un estudio en el que

describían el magnetismo de la hemoglobina, el pigmento que

transporta el oxígeno y que le da a los glóbulos rojos su color. Mucho

antes, en 1845, el físico y químico inglés Michael Faraday, el

descubridor de la inducción electromagnética, investigó las propiedades

magnéticas de la sangre seca pero dejo inconclusos estos estudios,

sobre todo el realizarlos con sangre fresca. Sin embargo Pauling y

Coryell realizaron este experimento 90 años después. Ambos químicos

descubrieron que la susceptibilidad magnética de la sangre arterial

completamente oxigenada difería hasta en un 20% de la sangre venosa

totalmente desoxigenada.

En 1990, SeijiOgawa de los laboratorios Bell de AT&T informó

que en estudios realizados con animales, la hemoglobina desoxigenada

colocada en un campo magnético aumentaba la potencia de dicho

campo, mientras que la hemoglobina oxigenada no. Ogawa demostró

en estudios con animales que una zona que contiene gran cantidad de

hemoglobina desoxigenada deforma ligeramente el campo magnético

que rodea al vaso sanguíneo, deformación que se ve reflejada en una

imagen por resonancia magnética.

Otros investigadores comenzaron a estudiar estos efectos en

seres humanos. En 1992, por ejemplo, varios investigadores, entre los

que se incluían Ogawa, John W. Belliveau del Massachusetts General

Hospital y Peter Bandettini del Medical College of Wisconsin, publicaron

los resultados de una serie de estudios acerca de la respuesta cerebral

a estimulación sensorial realizados con estas técnicas de obtención de

imágenes por resonancia magnética funcional. Actualmente, las

imágenes obtenidas por resonancia magnética funcional se utilizan,

entre otras cosas, para guiar a los cirujanos de forma que no se dañen

zonas esenciales del cerebro, para detectar síntomas de infartos

cerebrales y para esclarecer el funcionamiento del cerebro.

En la actualidad la espectroscopia y las exploraciones por

resonancia magnética son tecnologías de diagnóstico ampliamente

utilizadas en medicina y, con el surgimiento en los últimos años de

nuevas técnicas, máquinas y computadoras aún más potentes, la

velocidad y precisión de la resonancia magnética funcional ha

aumentado de manera extraordinaria.

Desarrollo

Actualmente el principal uso de la RMN es en la medicina,

esta una técnica de obtención de imágenes del organismo basada en el

fenómeno físico de la resonancia. Estas imágenes se utilizan como

fuente de información en numerosos diagnósticos.

Como se explicó anteriormente, la RM utiliza fuertes campos

magnéticos que actúan sobres los átomos que componen diferentes

sustancias en el cuerpo como el hidrógeno. Los diferentes tejidos

emiten diferentes ondas en función de su densidad y de su contenido en

agua. Una computadora traduce los patrones de estas ondas en

imágenes muy detalladas de las partes del cuerpo en las cuales se

pueden identificar anomalías que pueden ser utilizadas para un

diagnóstico médico. La RM produce cortes axiales (trasversales) del

cuerpo parecidos a los de la tomografía axial computarizada, pero

también puede presentar proyecciones en diferentes planos: coronales

y sagitales.

La técnica usa equipos con potentes campos magnéticos que

oscilan desde 0,2 hasta 2 ó más Teslas, lo que alinea los átomos con un

número impar de nucleones, por lo general el Hidrógeno, y al ser

sometidos a estas señales de radiofrecuencia se les otorga energía, y

cuando esta señal cesa los átomos se realinean con el campo

magnético, esto produce liberación de energía en forma de señales

electromagnéticas que son recogidas por bobinas y procesadas por

medio de una computadora, que se emplean para formar imágenes del

cuerpo.

ENTRE LAS TÉCNICAS MAS UTILIZADAS PARA OBTENER

IMÁGENES POR MEDO DE LA RMN SON LAS SIGUIENTES:

RMN por difusión.- Esta técnica mide la difusión de las moléculas

de agua en los tejidos, esto es a partir de que en los tejidos biológicos la

difusión de las moléculas de agua son anisotrópicas, por ejemplo, las

moléculas dentro del axón de una neurona tienen poca posibilidad de

cruzar la membrana mielina, por lo que la molécula se moverá

principalmente a lo largo de dela s fibras del axón y gracias a esto y al

conocimiento de que estas moléculas se mueven en una sola dirección

y asíse puede asumir que la mayoría de las fibras siguen esa dirección.

RMN Angiografía.- Es una técnica de RM que genera imágenes

de las arterias para evaluar posibles crecimientos, adelgazamientos o

algún malfuncionamiento estructural. La técnica para obtener imágenes

de la venas es conocida como venografía.

RMN por Espectroscopia.- Es una técnica que combina la RMN

con la espectroscopia y esto permite obtener imágenes por RM que

proporcionen una amplia información sobre las propiedades físicas y

químicas de la región analizada.

RMN Funcional.- Esta técnica mide las cambios de señal en el

cerebro que permiten observar el cambio de actividad neuronal. El

cerebro es escaneado en una baja resolución, pero se obtiene

imágenes mas rápido. El funcionamiento se basa ene le mecanismo

BOLD, la cual aumenta conforme la actividad neuronal aumenta y el

sistema vascular responde mandando mas hemoglobina oxigenada, la

cual decrementa la señal de la RMy así puede obtenerse la imagen.

RM Intervencional.-Es la única técnica invasiva utilizada, para

poder introducir un escáner al área que se pretende revisar

RM guíada por medio de ultrasonido.-Esta técnica permite

enfocar la RM por medio de ondas ultrasónicas, calentando los tejidos y

así puede obtenerse una imagen térmica del área en forma

tridimensional .

Multi-RM.- El hidrógeno es la molécula más utilizada por la RM,

sin embargo es muchas otras moléculas pueden ser polarizadas como

el Helio-3, el Carbono-13, el Oxígeno-17, el Sodio-23, Fósforo-31,

Xenón-129 entre otras, y esto permite obtener, en ocasiones, imágenes

mas detalladas de órganos a los que las técnicas usuales con el

Hidrógeno y se puede obtener detalles sobre la estructura y función.

LOS ÓRGANOS Y APARATOS QUE MÁS SE ESTUDIAN CON

ESTOS MÉTODOS SON:

Ø Aparato Muscoloesquelético.- Sigue constituyendo la primera

indicación de la RM, por volumen. A pesar de que la radiología simple

sigue siendo la prueba inicial en muchos casos, la RM tiene la virtud de

valorar patología de partes blandas, que es invisible en la radiografía:

meniscos, ligamentos, músculos y tendones, cartílago, etc. La RM se ha

convertido en el estándar en muchas patologías articulares y ha

demostrado ampliamente su eficacia en la caracterización de lesiones

de partes blandas y en la detección precoz de patología osteoarticular.

Todas las articulaciones, y cualquier parte del cuerpo que contenga

huesos y músculos se benefician de esta aplicación

Ø Columna vertebral.- La RMN complementa la información

aportada por las radiografías de columna, valorando discos

intervertebrales, partes blandas y médula. Presenta muchas ventajas

con respecto al TAC para el estudio de la patología discal y es su

capacidad de obtener imágenes sagitales o coronales, con lo que el

estudio es más completo. Además, la RM es la técnica de elección para

el estudio de médula y saco aracnoideo, con una notable superioridad

con respecto a cualquier técnica de imagen.

Ø Cráneo.- La capacidad multiplanar, la resolución espacial y su

posibilidad de caracterización tisular son caracteres indiscutibles de la

RM que hacen que sea mucho más usada que otras técnicas de

imagen. En la actualidad, se puede afirmar que los único motivo para

indicar un TAC craneal frente a una RM son los de disponibilidad

(acceso en el hospital, horario de funcionamiento), situación del

paciente y costo (aunque el costo de un TAC con contraste es similar al

de una RM sin contraste), además de situaciones puntuales como la

hemorragia subaracnoidea y la detección de calcio (escasa sensibilidad

de la RM). Dentro de este apartado, han aparecido unas técnicas

novedosas, cuyas aplicaciones se están validando actualmente.

Algunos de estas técnicas son la difusión, la perfusión y la

espectroscopia además de algo conocido como la Resonancia

Magnética funcional.

Ø Abdomen.-También en los estudios del abdomen, la RMN, esta

compitiendo contra la TC, para el diagnóstico de problemas en el

hígado, páncreas, y otros órganos alojados en el abdomen.

Ø Pelvis.- Los avances tecnológicos están permitiendo avanzar

en las aplicaciones de la RM. Se ha demostrado la superioridad de la

RM en el estadio de neoplasias endometriales, debido a su

discriminación tisular. También se ha mostrado un gran avance en la

detección de cáncer de próstata.

Ø Tórax.- Aunque el porcentaje de estudios de este territorio

sigue siendo pequeño, la tendencia es progresiva.

Ø Corazón.- La RM actualmente es capaz de realizar estudios del

corazón no solo morfológicos sino también funcionales, y se considera

el standard en el cálculo de parámetros de función ventricular (fracción

de eyección, volumen telesistólico y telediastólico, masa miocárdica).

Tiene además un papel importante en la isquemia miocárdica, para

determinar la viabilidad del miocardio y predecir por lo tanto la respuesta

a un tratamiento de revascularización. Puede aportar información

importante en el estudio de las miocardiopatías, displasia arritmogénica

del ventrículo derecho y otras patologías.

Para realizar el proceso se coloca a la persona dentro de una

máquina que es un tubo, que es el escáner, y se debe de permanecer

quieto mientras se desarrolla el análisis, pues el movimiento puede

afectar seriamente las imágenes obtenidas.

La RMN no presenta ningún riesgo, no produce dolor y solo si se

necesita inyectar alguna sustancia contrastante, como el gadolino, se

puede presentar alguna reacción alérgica. Sin embargo al tratarse de

una técnica que utiliza fuertes campos magnéticos y ondas de radio

frecuencia debe de cuidarse de que no exista algún elemento metálico

dentro o fuera del cuerpo, tales como:

Marcapasos

Dispositivos implantados como bombas de insulina

Grapas o clavos metálicos.

Prótesis metálicas

Joyas o broches de metal

Cualquier otro aparato electrónico o tarjetas con código

magnético

Esto se aplica a todo aquel que se encuentre dentro del espacio

en el que se realiza la Resonancia Magnética . La intensidad del campo

magnético generado disminuye a medida que nos alejamos del

isocentro del imán, según unas curvas de intensidad definidas. Los

posibles efectos del campo magnético sobre dispositivos electrónicos se

manifiestan desde la línea de 5 gauss.

Además si se porta alguna prótesis o aparatos de ortodoncia fijos

que son considerados inocuos para la exploración, pueden afectar la

imagen si la zona que se v a estudiar es cercana.

Por lo tanto se puede decir que esta técnica es completamente

inocua en comparación con otras, por ejemplo la Tomografía

Computarizada (TC), ya que esta utiliza radiación ionizada, o también

rayos X para la adquisición de imágenes haciéndola una buena

herramienta para tejidos densos como los huesos, mientras que la RMN

es mucho mejor para los tejidos blandos (que son la mayoría del cuerpo

humano). Ambos pueden generar imágenes múltiples en 2-D de

secciones cruzadas o pedazos de tejidos para reconstrucción en

imágenes de 3-D, pero a diferencia de la TC, que solo utiliza los rayos X

como atenuadorpara el contraste de la imagen, la RMN cuanta con una

larga lista de propiedades que pueden ser usadas para el control de la

imagen. Otra cosa mas es que la TC, o los simples rayos X, pueden ser

perjudiciales si alguna persona se somete durante mucho tiempo a

ellos. Y por último es que la RMN, con excepción de algunos casos

como se presentaron arriba, no utiliza un medio de contraste para tomar

las imágenes, en cambio la TC utiliza medios de contraste.

ESPECTROMETRÍA RMN APLICADA A PROTEÍNAS

Gran parte de la reciente innovación dentro de la espectrometría RMN se ha

dado en el campo de estudio de las proteínas, y se ha convertido en una

técnica muy importante en la biología estructural. Un objetivo común de estas

investigaciones es obtener una alta resolución de las estructuras

tridimensionales de las proteínas, similar a lo que puede lograrse por

cristalografía de rayos X. En contraste con la cristalografía de rayos X, la RMN

se limita sobre todo a las proteínas relativamente pequeñas, de menos de 35

kDa, aunque los avances técnicos permiten la resolución de estructuras más

grandes. La espectrometría RMN es a menudo la única manera de obtener

información de alta resolución, en todo o en parte, de proteínas no

estructuradas.

Las proteínas son varios órdenes de magnitud más grandes que las pequeñas

moléculas orgánicas que se mencionaron anteriormente en este artículo, pero

la misma teoría se aplica a la RMN. Debido al mayor número de elementos

presentes en la molécula, los espectros unidimensionales básicos se ven

solapados con la superposición de señales, hasta el punto de que el análisis

resulta imposible. Por lo tanto, se realizan experimentos multidimensionales (2,

3 o 4D) para hacer frente a este problema. Para facilitar estos experimentos, es

conveniente marcar isotópicamente la proteína con 13 C y 15 N, debido a que

los isótopos 12 C predominantes de forma natural no son activos a la RMN,

mientras que el momento cuadrápolo nuclear del isótopo 14 N predominante de

forma natural impide que se pueda obtener información de alta resolución a

partir de este isótopo de nitrógeno. El método más importante utilizado para la

determinación de la estructura de las proteínas utiliza experimentos NOE para

medir las distancias entre pares de átomos dentro de la molécula.

Posteriormente, las distancias obtenidas se utilizan para generar una estructura

3D de la molécula usando un programa de ordenador.

ESPECTROSCOPIA DE RMN CON ONDA CONTINUA (CW:

CONTINUOUS WAVE)

Desde sus comienzos hasta finales de los 60, la espectroscopia de RMN

utilizó una técnica conocida como espectroscopia 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 espectroscopia 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 no demasiado 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.

ESPECTROSCOPIA DE RMN DE PULSOS Y TRANSFORMADA DE

FOURIER

La técnica de RMN con transformada de Fourier (FT-NMR) es la que se

utiliza en los espectrómetros actuales. Uno de los pioneros en este campo

es Richard R. Ernst, que la desarrolló a partir del año 1966 y por la que fue

galardonado con el Premio Nobel de Química en 1991.

FT-NMR permite disminuir drásticamente el tiempo que requiere adquirir

una acumulación (scan) del espectro completo de RMN. En vez de realizar un

barrido lento de la frecuencia, una en cada instante, esta técnica explora

simultánea e instantáneamente todo un rango de frecuencias. Dos desarrollos

técnicos fueron fundamentales para poder hacer realidad la técnica FT-NMR:

ordenadores capaces de llevar a cabo las operaciones matemáticas necesarias

para pasar desde el dominio de tiempo al de la frecuencia, es decir, para

obtener el espectro; y el conocimiento sobre cómo poder excitar

simultáneamente todo un rango de frecuencias.

La FT-NMR funciona con la muestra (espines nucleares) sometida a un

campo magnético externo constante. Se irradia la muestra con un pulso

electromagnético de muy corta duración en la región de las radiofrecuencias.

La forma que suele usarse para este pulso es rectangular, es decir, la

intensidad de la radiofrecuencia oscila entre un máximo y un mínimo que es

constante mientras dura el pulso. Un pulso de corta duración tiene una cierta

incertidumbre en la frecuencia (principio de indeterminación de Heisenberg). La

descomposición de fourier de una onda rectangular contiene contribuciones de

una de todas las frecuencias. El pulso que se genera es por tanto policromático

y cuanto más corto sea, es capaz de excitar un mayor rango de frecuencias.

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 simultáneamente 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 InductionDecay) (FID) y da lugar

al espectro de RMN.

La señal que se detecta FID (Free InductionDecay) es una señal

oscilante que contiene todas las señales del espectro y decae hasta hacerse

cero.

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).

RMN MULTIDIMENSIONAL

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

afectén 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 lastécnicas 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 (HeteronuclearOverhauser Effect SpectroscopY).

Grosso modo, las interacciones que pueden detectarse por RMN se

pueden clasisficar en dos tipos:

1. Las interacciones a través de enlaces se basan en el

acoplamiento escalar

2. Las interacciones a través del espacio 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.

Richard Ernst en 1991 y KurtWüthrich en el 2002 fueron galardonados

con el premio Nobel de Química por su contribuciones al desarrollo de la RMN

de 2-dimensiones y multidimensional con transformada de Fourier. Los

avances conseguidos por ellos y por otros grupos de investigadores han

expandido la RMN a la bioquímica, y en particular a la determinación de la

estructura en disolución de biopolímeros comoproteínas o incluso ácidos

nucleicos de tamaño pequeño.

SÓLIDOS

La RMN en disolución es complementaria de la cristalografía de rayos

X ya que la primera permite estudiar la estructura tridimensional de

lasmoléculas en fase líquida o disuelta en un cristal líquido, mientras que la

cristalografía de rayos-X, como su nombre indica, estudia las moléculas en

fase sólida.

La RMN puede utilizarse también para el estudio de muestras en estado

sólido. Si bien en su estado actual queda lejos de poder proporcionar con buen

detalle la estructura tridimensional de una biomolécula.

INFORMACION OBTENIDA MEDIANTE RM

En el estado sólido las moléculas están estáticas y no existe, como

ocurre con las moléculas en disolución, un promediado de la señal de RMN por

el efecto de la rotación térmica de la molécula respecto a la dirección del

campo magnético. Las moléculas de un sólido están prácticamente inmóviles, y

cada una de ellas experimenta un entorno electrónico ligeramente diferente,

dando lugar a una señal diferente. Esta variación del entorno electrónico

disminuye la resolución de las señales y dificulta su interpretación. Raymond

Andrew fue uno de los pioneros en el desarrollo de métodos de alta resolución

para resonancia magnética nuclear en estado sólido. Él fue quien introdujo la

técnica de la rotación en el ángulo mágico MagicAngle Spinning (MAS) que

permitió incrementar la resolución de los espectros de sólidos varios órdenes

de magnitud. En MAS, las interacciones se promedian rotando la muestra a

una velocidad de varios kilohertzios.

Alex Pines en colaboración con John Waugh revolucionaron también la

RMN de sólidos introduciendo la técnica de la polarización cruzada (CP) que

consigue incrementar la sensibilidad de núcleos poco abundantes gracias a la

transferencia de polarización de los protones a los núcleos más insensibles

cercanos, generalmente 13C, 15N o 29Si.

A caballo entre la RMN en disolución y en fase sólida, se encuentra la

técnica de HR-MAS (High ResolutionwithMagicAngleSinning), cuya aplicación

fundamental es el análisis de geles y materiales semisólidos. El fundamento del

HR-MAS es hacer girar la muestra, al ángulo mágico, a una velocidad muy

superior que en sólidos habituales. El efecto conseguido son espectros mono y

bidimensionales de gran calidad, próxima a la RMN en disolución. La principal

aplicación de esta técnica es el análisis de matrices biológicas y poliméricas,

como resinas para síntesis en fase sólida solvatadas.

La aplicación fundamental de la espectroscopia de RMN es la

determinación estructural, ya sea de moléculas orgánicas, organometálicas o

biológicas. Para ello es necesario la realización de diferentes tipos de

experimentos de los cuales se obtiene una determinada información.

Para la elucidación estructural de moléculas orgánicas y

organometálicas los experimentos más utilizados son los siguientes:

Ejemplo de un espectro 1H de RMN.

Espectro monodimensional de 1H: Da información del número y

tipo de hidrógenos diferentes que hay en la molécula. La posición en el

espectro (desplazamiento químico) determina el entorno químico del núcleo,

y por tanto da información de grupos funcionales a los que pertenecen o

que están cerca. La forma de la señal da información de los protones

cercanos acoplados escalarmente.

Ejemplo de un espectro APT, un tipo de experimento de 13C.

Espectro monodimensional de 13C: Al igual que en 1H el

desplazamiento químico da información de los grupos funcionales.

Dependiendo del tipo de experimento realizado se puede obtener

información del número de hidrógenos unidos a cada carbono.

Ejemplo de un espectro COSY.

Espectros bidimensionales homonucleares: Los experimentos

COSY y TOCSY dan información de las relaciones entre los protones de la

molécula, por acomplamiento escalar o dipolar (NOESY)

Espectros bidimensionales heteronucleares: Los experimentos

HMQC y HSQC indican qué hidrógenos están unidos a qué carbonos. El

experimento HMBC permite determinar relaciones entre protones y

carbonos a mayor distancia (2 o 3 enlaces)

Experimentos con otros núcleos: Si la molécula posee otros

núcleos activos en RMN es posible su medida a través de experimentos mo

nodimensionales o bidimensionales (por detección indirecta)

APLICACIONES DE LA RESONANCIA MEGNETICA NUCLEAR A LA

INVESTIGACION BIOMEDICA

Desde su descubrimiento en 1946, las técnicas de Resonancia

Magnética Nuclear (RMN) han evolucionado, sobre todo en las últimas

décadas, hasta convertirse en una herramienta muy útil, primero en campos

como la física y la química, y más recientemente en otros como la biología

molecular, la medicina o la bioquímica.

La RMN es una técnica transversal que ha experimentado un

espectacular desarrollo gracias a la contribución de numerosas áreas de

conocimiento que abarcan desde las ciencias experimentales clásicas hasta

ciencias de la salud o tecnológicas. Fue descrita en 1946 de manera

simultánea e independiente por los investigadores Bloch y Purcell,

consiguiendo ambos por ello el Premio Nobel en 1952. Es un fenómeno que

presentan los núcleos magnéticamente activos en presencia de un campo

magnético estable y la aplicación de ondas electromagnéticas de

radiofrecuencia. El núcleo es el corazón de los átomos donde se acomodan la

mayoría de las masas elementales (neutrones y protones). Los núcleos con un

número impar de protones o neutrones, poseen un momento magnético

característico y un campo magnético asociado. Cuando se exponen a un

campo magnético estático B0, los dipolos magnéticos de los núcleos tienden a

alinearse con el mismo. Para el isótopo 1H del átomo de hidrógeno se crean

dos estados energéticos, uno paralelo y otro antiparalelo a B0, con

prácticamente la misma probabilidad de ser ocupados y una magnetización

neta resultante (M0). La RMN se basa en la aplicación de un campo de

radiofrecuencia B1 en una dirección perpendicular a B0 que genera una

magnetización transversal dependiente del tiempo que induce, por tanto, un

voltaje que se puede medir empleando un receptor apropiado (1). A pesar de

ser el núcleo más sensible y abundante, el 1H no es el único empleado en esta

técnica.

Existen otros átomos que aportan información muy valiosa y no

accesible por otras metodologías, como son 31P, 13C, 19F, 23Na, etc.

La RMN presenta dos vertientes de estudio, por un lado la espectroscopía,

quizá la más conocida en el campo de la química y la bioquímica, y por otro la

imagen más extendida en la medicina y la biomedicina (2). Las aplicaciones

bioquímicas de la RMN (3) probablemente comenzaron en 1972 cuando por

espectroscopía de carbono 13 (13C RMN) se siguió el metabolismo de la

glucosa, marcada con dicho isótopo, en una suspensión. En base a los

resultados se concluyó que esta técnica podía ser enormemente útil en el

estudio de procesos bioquímicos. Pronto la 31P RMN se utilizó para determinar

el pH intracelular en una suspensión de eritrocitos y posteriormente en un

músculo. Casi simultáneamente se obtuvo la primera imagen de RMN.

La enorme versatilidad de aproximación de esta técnica permite la

investigación de aspectos tan diversos como la estructura tridimensional y

dinámica de macromoléculas biológicas, el estudio de la anatomía normal y

patológica en seres humanos y modelos animales, o el seguimiento in vivo de

rutas metabólicas y su regulación. No obstante, la Imagen de Resonancia

Magnética (IRM)(4) es la vertiente más conocida a nivel popular dada su cada

vez mayor implantación en el diagnóstico clínico. Es una técnica que usa una

radiación electromagnética no ionizante para obtener imágenes con un

excelente contraste entre tejidos blandos y una elevada resolución espacial en

cualquier dirección del espacio. En este caso, de entre todos los posibles

átomos a utilizar, el hidrógeno es el de uso más extendido por diferentes

factores. Prácticamente la totalidad de las imágenes obtenidas en diagnóstico

son imágenes de 1H, que por otro lado es el núcleo más abundante en el

cuerpo humano. Dentro de las potenciales aplicaciones de la IRM, merecen un

notable interés todas las encaminadas al diagnóstico, pronóstico y estudio de

las diferentes neuropatologías, algunas de la cuales forman parte de las

enfermedades de mayor prevalencia y trascendencia en la sociedad actual,

como son los tumores intracraneales, neurodegeneraciones o encefalopatías.

Además, como resultado de los avances tecnológicos, las técnicas de

adquisición rápida de imagen han permitido abordar áreas que tradicionalmente

se creían incompatibles con la RM, como estudios dinámicos, imagen cine,

imagen 3D de alta resolución, angiografía y estudio funcional del cerebro.

Dentro del campo de la investigación básica, el desarrollo de la aproximación

biomédica de la RMN se ha soportado en algunas ventajas de los métodos

empleados en la misma comparados con las técnicas más clásicas. Las

características inherentes de esta técnica, como tiempos de relajación, valores

de desplazamiento químico y constantes de acoplamiento, contienen una

valiosa información del estado fisiológico o patológico de los tejidos y de la

operación in situ de multitud de procesos biológicos (5). Por contrapartida, los

métodos de RMN son menos sensibles que los clásicos métodos ópticos o

radiactivos, con sensibilidades que oscilan entre 0,01 y 1 mM para estudios in

vitro e in vivo respectivamente.

Todas estas características abren un enorme campo de posibilidades

que han conducido a que tanto la imagen como la espectroscopía de RMN se

apliquen cada vez más en multitud de áreas y líneas de investigación dentro de

casi cualquier área de la ciencia, permitiendo el estudio de numerosos

aspectos de una manera que no abordable por ninguna otra técnica.

 

 

Imagen de RMN en orientación sagital del cerebro de una rata (modelo animal

de traumatismo cerebral difuso).  Se aprecian regiones hiperintensas asociadas

a la dilatación de los ventrículos y el edema cerebral.

 

UNIDAD DE ESPECTROSCOPÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA

NUCLEAR

La Unidad de Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (UE-

RMN) es el resultado de una alianza estratégica entre la

Universidad de Costa Rica (UCR) y el Instituto Nacional de

Biodiversidad (INBio) para ofrecer servicios especializados

de muy alto nivel a la industria, sector académico, sector

gubernamental y público en general. La Unidad se localiza

en la Escuela de Química de la UCR y contó en su

establecimiento con el apoyo de la Fundación CRUSA.

La UE-RMN cuenta con un espectrómetro Varian Mercury de 400 MHz. 

Este equipo puede medir espectros de 1H, 19F, 31P, 13C y cualquier otro

núcleo hasta la frecuencia de15N.  El instrumento está equipado con una

unidad de temperatura variable con un rango operativo desde -100 °C hasta

+100 °C, un accesorio de gradiente de campo, una sonda para detección

inversa y otra sonda para detección en modo normal.

Además de los espectros rutinarios en una dimensión, se puede obtener

sin ninguna dificultad espectros bidimensionales, como por ejemplo, COSY,

NOESY, HMBC, HMQC, HSQC, TOCSY, etc.

LA TÉCNICA DE RMN

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica no destructiva

que permite el análisis de compuestos orgánicos y algunos inorgánicos.  Por

medio de ella se puede deducir la identidad de la gran mayoría de compuestos

orgánicos conocidos y desconocidos.  Tan sólo se necesitan unos cuantos

miligramos de sustancia para realizar un análisis.

A diferencia de otras técnicas de análisis, como espectroscopía infrarroja

o cromatografía, la resonancia magnética nuclear permite la identificación no

ambigua de compuestos.

Por su versatilidad y la riqueza de la  información que produce, es la

técnica más usada en la identificación de nuevos compuestos orgánicos.

Aplicaciones

El rango de posibles aplicaciones de la resonancia magnética nuclear es

demasiado amplio para incluir un lista completa, pero algunas aplicaciones

incluyen:

Verificación del grado de pureza de materias primas.

Análisis de drogas y fármacos.

Desarrollo de productos químicos.

Control de calidad de productos químicos.

Investigación de reacciones químicas.

Identificación de sustancias desconocidas.

Análisis de polímeros.

Estructuras 3D de biomoléculas

La aplicación de la RMN-2D, mediante el procedimiento desarrollado

por el grupo de Wüthrich en los años 80, permitió determinar estructuras 3D

de proteínas de hasta 15 kDa. La superposición de las señales producto del

incremento en su número y el ensanchamiento natural de las mismas al

aumentar la masa molecular hacían muy difícil trabajar con proteínas mayores.

La introducción del marcaje isotópico con P 13 P C y P15 PN, utilizando

procedimientos de ingeniería genética, y la introducción de experimentos de

RMN-3D y -4D permitieron el estudio de proteínas de hasta 30 kDa.

La creciente complejidad espectral presente en proteínas aún mayores

pudo ser compensada utilizando técnicas para reducir el ancho de línea

espectral. A tales efectos la sustitución isotópica selectiva de protones por

deuterio, que reduce la relajación dipolar (γBH B~ 6Γb DB), es

particularmente efectiva. Asimismo la técnica TROSY, mediante un mecanismo

de compensación de contribuciones a la relajación de los componentes dipolar

y de anisotropía del blindaje, ha contribuido también a reducir el ancho de

línea y por ende la de señales haciendo posible el estudio de proteínas con

masas moleculares del orden de 100 kDa.