La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR, Nuclear magnetic resonance) è una tecnica analitica usata per determinare la struttura molecolare e la composizione chimica di un campione. È una tecnica spettroscopica che si avvale del fatto che i nuclei degli atomi dotati di momento angolare intrinseco (spin) presentano proprietà magnetiche, al fine di ricavare informazioni sul numero e sul tipo di gruppi chimici di cui fanno parte gli atomi esaminati.
Si basa sull’analisi del comportamento degli spin dei nuclei in presenza di un forte campo magnetico. Nella spettroscopia NMR, in presenza di un campo magnetico esterno stazionario e di un campo magnetico variabile, si determina nel campione un assorbimento di radiofrequenze da parte di alcuni specifici nuclei.
Principi di Funzionamento
Il principio fisico dietro la spettroscopia NMR è che un nucleo dotato di spin, quando è sottoposto a un forte campo magnetico (da decine a migliaia di tesla), risuona a una frequenza caratteristica, con un’energia e un’intensità che sono funzione del campo magnetico applicato. I diversi protoni dei nuclei presenti in un composto, inoltre, hanno frequenze diverse che variano anche in funzione di come ciascuno di essi è legato ai suoi vicini.
Quindi lo spettro NMR che si misura è costituito da una serie di picchi, ciascuno dei quali si riferisce a un protone in una data configurazione, che nell’insieme si distribuiscono attorno a una frequenza fondamentale riferita alla loro media, tipica dell’atomo esaminato.
Di norma, queste fini differenze di frequenza non sono date in valore assoluto, ma in rapporto alla frequenza misurata su un campione di riferimento: per importanti nuclei come 1H, 13C, 27Al e 29Si, è il tetrametilsilano, TMS. La differenza tra le frequenze misurate nel campione e nel TMS costituisce lo spostamento chimico, espresso in ppm, poiché è una frazione minima (pochi milionesimi) della frequenza fondamentale.
Il valore dello spostamento, e inoltre la forma e l’intensità dei picchi misurati, danno indicazioni sui differenti intorni chimici (gruppi funzionali) in cui si trova il nucleo, e sulle modalità di collegamento tra i diversi intorni.
Pur se specifica per ciascun atomo nelle modalità di applicazione sperimentale, non determina l’atomo singolarmente e a sé stante, ma solo in quanto è legato ad altri atomi secondo una particolare conformazione spaziale (poliedro di coordinazione) così da dare origine a un gruppo funzionale; è inoltre sensibile al modo in cui i diversi gruppi funzionali sono collegati tra loro. La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) è dunque una tecnica che fornisce informazioni strutturali tanto locali quanto a media distanza rispetto all’atomo esaminato.
La NMR funziona al meglio quando il campione è una soluzione, ma può dare informazioni importanti anche su campioni solidi, a condizione che essi vengano posizionati e trattati con la procedura sperimentale MAS (Magic angle spinning). Ciò si ottiene facendo ruotare vorticosamente il campione solido contenuto in una provetta orientata a 54,7° dall’asse del campo magnetico applicato.
Applicazioni della Spettroscopia NMR
La spettroscopia NMR è una tecnica non distruttiva e non invasiva usata per determinare strutture e dinamiche molecolari.
- In biologia, la spettroscopia NMR viene utilizzata nello studio di macromolecole come proteine, lipidi e acidi nucleici.
- In chimica, la tecnica è ampiamente usata in analisi qualitative e quantitative per monitorare reazioni, identificare strutture molecolari e valutare la purezza di un campione.
- Nel campo dei polimeri, serve ad analizzare i rapporti tra monomeri, il peso molecolare, la tatticità, la sequenza, la lunghezza e le ramificazioni delle catene e a determinare i gruppi terminali.
- Nell’industria farmaceutica è utilizzata per determinare la purezza e la quantità dei principi attivi, degli eccipienti e delle impurezze nei prodotti farmaceutici.
- Nell’industria petrolifera è impiegata per caratterizzare gli idrocarburi nel petrolio grezzo e nei suoi prodotti.
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