Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)

Una delle tecniche analitiche più diffusa nel campo della ricerca è la risonanza magnetica nucleare (NMR). Questa tecnica permette di analizzare, individuare ma soprattutto scoprire nuove molecole, studiare la struttura primaria e secondaria delle proteine, analizzare il contenuto di alimenti, piante e bevande.

La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare è una tecnica di analisi che si basa sulla misura degli assorbimenti energetici che si osservano quando nuclei dotati di spin attivo immersi in un campo magnetico, vengono eccitati con radiazioni elettromagnetiche nel campo delle radiofrequenze. Il risultato delle misure si rappresenta mediante spettri di assorbimento. Gli esperimenti più semplici utilizzano una sola dimensione, mentre quelli più sofisticati si estendono a più dimensioni, fino alla quarta. I nuclei dotati di proprietà magnetiche e maggiormente utilizzati nell’identificazione dei composti presenti in natura sono: gli isotopi più abbondanti 1H (99.9% in natura) e 31P (100% in natura) e quelli meno abbondanti come l’isotopo 13C (1.1% in natura) e 15N (0.37% in natura). I principi fisici fondamentali su cui si basa il fenomeno dell’NMR riguardano le proprietà magnetiche dei nuclei (atomi). Tutti i nuclei possiedono una carica ed in alcuni, questa carica ruota attorno all’asse nucleare. Questo movimento di carica produce un dipolo magnetico orientato parallelamente all’asse nucleare e caratterizzato da un momento magnetico m. Inoltre ad ogni nucleo è associato un numero quantico di spin (I) che è caratteristico di ogni nucleo; I può assumere valori diversi come I=0 per i nuclei senza spin o valori frazionari od interi (1/2 e suoi multipli). Il numero di spin determina il numero di orientazioni che un nucleo può assumere in un campo magnetico statico uniforme B0, in accordo con la seguente formula :

  • (1) 2I+1

Considerando nuclei con I pari ad ½  si hanno due possibili orientazioni (cioè due stati di spin) che corrispondono a due livelli energetici differenti: a o -1/2 che corrisponde allo stato ad energia minore  e b o +1/2 che rappresenta lo stato ad energia maggiore. In assenza di campo magnetico tutti gli stati energetici sono degeneri, ossia hanno la stessa energia. Quando invece applichiamo un campo magnetico B0, la differenza di energia tra due stati dipende dall’intensità campo magnetico statico applicato:

  • (2) DE = (hg/2p) B0

Dove h è la costante di Plank, g è il rapporto giromagnetico, una costante caratteristica di ciascun nucleo, legata al momento magnetico m ed al numero di spin. Data la presenza di due livelli energetici, se si fornisce energia sottoforma di radiazione elettromagnetica applicando un campo a radiofrequenza (n1), gli atomi vengono eccitati: ciò significa che passano da uno stato ad energia minore and uno stato ad energia maggiore. Affinché ci sia questa transizione la frequenza che sarà  applicata dovrà rispettare le seguenti leggi:

  • (3) DE = hn
  • (4) n = (g/2p) B0

 Rispettando le leggi fisiche (3) e (4) il sistema si trova in condizioni di risonanza. A questo punto i nuclei non potranno rimanere nello stato ad energia superiore all’infinito ma, dopo un certo tempo, cominceranno a ritornare nello stato di energia iniziale (più basso). Durante questo “salto” energetico i nuclei hanno assorbito energia e successivamente quando ritornano allo stato di energia più basso, emettono energia che si traduce in uno spettro NMR. Lo spettro è  l’espressione grafica di ciò che avviene a livello microscopico (vedi animazione). nmr

La rappresentazione grafica (spettro) rappresenta come e dove i nuclei sono posizionati nella struttura chimica di una qualsiasi molecola. La foto sottostante rappresenta la struttura “spaziale” di uno spettrometro da 900Mhz, uno dei più potenti e sofisticati strumenti, che permette le analisi strutturali delle molecole chimiche!

Spettrometro 900MhZ
Risonanza magnetica nucleare

Spettrometro 900MhZ: uno degli strumenti utiliati per l’analisi NMR più sofisticato al mondo!

Da questa brevissima descrizione si può intuire però che la caratterizzazione strutturale di molecole ignote è molto difficile e complessa dal momento che non si conosce come reagiscono, immersi in un campo magnetico tutte le strutture chimiche presenti sulla terra. Quindi l’analisi strutturale è una ricerca continua, una interconnessione tra esperienza dei ricercatori, database aggiornati di nuovi composti standard (cioè si conosce con esattezza la struttura chimica e anche lo spettro) e software di ultima generazione che permettono la simulazione dello spettro disegnando la struttura chimica della/e molecole che si vogliono studiare. La risonanza magnetica nucleare si può applicare a matrici sia liquide sia solide. L’analisi NMR di campioni solidi, come ad esempio foglie, parti di organi e tessuti è molto utile non solo a capire che cosa  contengono questi campioni ma anche la struttura interna e la compartimentalizzazione delle molecole.

I principi fisici su cui si basa la risonanza magnetica nucleare, si estendono anche ad altre tecniche come NMR imaging, dove la rappresentazione di ciò che avviene a livello microscopico non è una serie di picchi ma sono delle immagini (pixel) vere e proprie, oppure la risonanza magnetica a scopo diagnostico. Ad esempio l’NMR imaging è stata utilizzata dai ricercatori del CNR per studiare lo sviluppo e l’evoluzione del baco da seta.

Elisabetta Fumagalli

About Elisabetta Fumagalli

Elisabetta Fumagalli, laureata presso l’università di Milano Bicocca in biotecnologie industriali nell’Aprile del 2007, con la Passione per le strutture chimiche, collabora per circa due anni con il CNR, laboratorio di NMR e di Biologia e Biotecnologie Agraria su un progetto inerente analisi dei metaboliti prodotti da piante transgeniche e su matrici alimentari mediante Risonanza Magnetica Nucleare. Attualmente lavora presso una multinazionale farmaceutica in cui si occupa di Quality Assurance Compliance. Scarica il Curriculum