Medición de espines cuadrupolares con RMN de campo cero por primera vez

Paso decisivo en la espectroscopia de resonancia magnética de campo cero y, por tanto, hacia la química de precisión

08.07.2024

¿Cómo es la estructura de una molécula determinada? ¿Cómo interactúan las moléculas entre sí? Para responder a estas preguntas se utiliza a menudo la espectroscopia de resonancia magnética. Los espines de los núcleos atómicos se alinean con un campo magnético externo intenso y se hacen girar mediante un campo magnético débil oscilante, generado por bobinas. Como resultado, cambia la tensión, que puede convertirse en una frecuencia. Esta frecuencia indica el tipo de molécula y también revela algo sobre la interacción de los espines nucleares. Sin embargo, para estas investigaciones se necesitan campos magnéticos elevados, que requieren aparatos muy grandes y difíciles de instalar. También es difícil medir núcleos con espín cuadrupolar. Sin embargo, éstos están presentes en la mayoría de los núcleos atómicos magnéticos.

En cambio, la espectroscopia de resonancia magnética de campo cero, o RMN de campo cero, no requiere un campo magnético externo intenso: los acoplamientos entre los espines nucleares de los núcleos magnéticamente activos son la interacción mecánica cuántica dominante. Las líneas del espectro son, por tanto, más estrechas y nítidas, y las muestras también pueden analizarse en recipientes metálicos o de otros materiales. La espectroscopia de resonancia magnética de campo cero es de interés en la investigación metalúrgica, vegetal y médica, entre otras. Sin embargo, para poder medir los acoplamientos mínimos, hay que apantallar el campo magnético terrestre, una cuestión compleja.

Un montaje experimental sencillo pero preciso

Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y del Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM), junto con la Universidad de California en Berkeley, han logrado por primera vez medir un núcleo cuadrupolar mediante RMN de campo cero. "Para ser más precisos, hemos analizado una molécula de amonio, es decir, NH4, ya que es muy importante para diversas aplicaciones", explica la Dra. Danila Barskiy, jefa de grupo de la JGU. "En el futuro, esperamos poder detectar estas moléculas incluso en entornos complejos, como reactores y contenedores metálicos". Utilizando amonio, los investigadores desarrollaron un sistema sencillo: mezclar sal de amonio con agua, añadir diferentes cantidades de deuterio... y ya se pueden registrar y analizar los espectros individuales. Los científicos utilizaron un dispositivo del tamaño de una uña, disponible en el mercado. Tampoco es necesario disponer de una sala blindada magnéticamente; basta con un equipo de medición compacto y blindado magnéticamente.

Las mediciones de precisión permiten comprobar las teorías

Los investigadores se plantearon otra cuestión interesante: ¿Cómo influye el número de átomos de deuterio de una molécula de amonio en el espectro y las propiedades de relajación de los espines? "Nuestro método permite determinar las frecuencias de resonancia con la máxima precisión. Al compararlas con los datos experimentales, el método puede servir de referencia para los cálculos de química cuántica. Esperamos ansiosamente que nuestro trabajo se convierta en una práctica estándar en un futuro próximo", explica Román Picazo-Frutos, estudiante del Instituto de Física de la JGU y primer autor de la publicación. Aunque las teorías actuales ya predicen bastante bien los resultados del equipo, aún existen pequeñas desviaciones. "Este trabajo amplía significativamente la gama de moléculas que pueden analizarse mediante técnicas de RMN de campo cero a campo ultrabajo y podría conducir al desarrollo de nuevas aplicaciones, por ejemplo para analizar pequeños núcleos atómicos a través de su desintegración gamma radiactiva. Aún queda mucho por hacer", resume el Prof. Dr. Dmitry Budker, de la JGU.

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Publicación original

Román Picazo-Frutos, Kirill F. Sheberstov, John W. Blanchard, Erik Van Dyke, Moritz Reh, Tobias Sjoelander, Alexander Pines, Dmitry Budker, Danila A. Barskiy; "Zero-field J-spectroscopy of quadrupolar nuclei"; Nature Communications, Volume 15, 2024-5-27

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