Ressonância magnética

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Ressonância magnética
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Exame de R.M., do topo do cérebro à base. O pequeno ponto em cima à esquerda é uma cápsula de Vitamina E, que serve de orientação na compilação das imagens.
Ressonância magnética é uma técnica que permite determinar propriedades de uma substância através do correlacionamento da energia absorvida contra a frequência, na faixa de megahertz (MHz) do espectromagnético, caracterizando-se como sendo uma espectroscopia. Usa as transições entre níveis de energia rotacionais dos núcleos componentes das espécies (átomos ou íons) contidas na amostra. Isso dá-se necessariamente sob a influência de um campo magnético e sob a concomitante irradiação de ondas de rádio na faixa de frequências acima citada.
[editar]Histórico
O conceito de spin surgiu da necessidade de se explicar os resultados até então impensados na experiência de Stern-Gerlach na década de 1920. Nessa experiência, um feixe colimado de átomos de prata, oriundos de um forno a alta temperatura, atravessavam um campo magnético altamente não-homogêneo. Tal experiência era destinada a medir a distribuição dos momentos magnéticos, devidos principalmente aos elétrons. Como os átomos, na temperatura em que estavam emergindo do forno, estavam no seu estado fundamental 1S0, deveriam sofrer desvios nulos na presença do campo magnético não-homogêneo. A distribuição esperada era da perda da coerência espacial do feixe durante o seu tempo de vôo, do forno de origem até o alvo. Tal não sucedeu, contudo.
O resultado obtido foram duas manchas de depósito de prata sobre o alvo, indicando que o feixe se dividira em dois durante o percurso. Isso indicou que os átomos de prata do feixe ainda tinham um grau de liberdade de momento angular, mas que não era o momento angular orbital dos elétrons no átomo, mas sim um momento angular intrínseco destas partículas. A esse "momento angular intrínseco" deu-se o nome de spin (significando giro em português).
Em 1924, Wolfgang Pauli postulou que os núcleos comportar-se-iam como minúsculos ímãs. Mais tarde, experiências similares, porém mais sofisticadas, aos do Stern-Gerlach determinaram momentos magnéticos nucleares de várias espécies.
Posteriormente, em 1939, Rabi e colaboradores submeteram um feixe molecular de hidrogênio (H2) em alto vácuo a um campo magnético não-homogêneo em conjunto com uma radiação na faixa das radiofreqüências (RF). Para um certo valor de freqüência o feixe absorvia energia e sofria pequeno desvio. Isso era constatado como uma queda da intensidade observada do feixe na região do detector. Este experimento marca, historicamente, a primeira observação do efeito da ressonância magnética nuclear.
Nos anos de 1945 e 1946 duas equipes, uma de Bloch e seus colaboradores na Universidade de Stanford, e outra de Purcell e colaboradores na Universidade de Harvard procurando aprimorar a medida de momentos magnéticos nucleares observaram sinais de absorção de radiofreqüência dos núcleos de 1H na água e na parafina, respectivamente, pelo que os dois grupos foram agraciados com o prêmio Nobel de Física em 1952.
Quando Packard e outros assistentes de Bloch substituíram a água por etanol, em 1950 e 1951, e notaram que havia três sinais e não somente um sinal1 ficaram decepcionados. Entretanto, esse aparente fracasso veio a indicar alguns dos aspectos mais poderosos da técnica: a múltipla capacidade de identificar a estrutura pela análise de parâmetros originados de acoplamentos mútuos de grupos de núcleos interagentes.
Pouco tempo depois, em 1953, já eram produzidos os primeiros espectrômetros de RMN no mercado, já com uma elevada resolução e grande sensibilidade.
Nos equipamentos de ressonância magnética para imageamento biológico, os núcleos dos átomos de hidrogênio presentes no objeto de análise são alinhados por um forte campo magnético e localizados por bobina receptora devidamente sintonizada na frequência de ressonância destes.
[editar]Espectroscopia de ressonância magnética nuclear
Em espectroscopia, o processo de ressonância magnética é similar aos demais. Pois também ocorre a absorção ressonante de energia eletromagnética, ocasionada pela transição entre níveis de energia rotacionais dos núcleos atômicos, níveis estes desdobrados em função do campo magnético através do efeito Zeeman anômalo.
Como o campo magnético efetivo sentido pelo núcleo é levemente afetado (perturbação essa geralmente medida em escala de partes por milhão) pelos débeis campos eletromagnéticos gerados pelos eletrons envolvidos nas ligações químicas (o chamado ambiente químico nas vizinhanças do núcleo em questão), cada núcleo responde diferentemente de acordo com sua localização no objeto em estudo, actuando assim como uma sonda sensível à estrutura onde se situa.
[editar]Magnetismo macroscópico e microscópico
O efeito da ressonâncita magnética nuclear fundamenta-se basicamente na absorção ressonante de energia eletromagnética na faixa de freqüências das ondas de rádio. Mais especificamente nas faixas de VHF.
Mas a condição primeira para absorção de energia por esse efeito é de que os núcleos em questão tenham momento angular diferente de zero.
Núcleos com momento angular igual a zero não tem momento magnético, o que é condição indispensável a apresentarem absorção de energia electromagnética. Razão, aliás, pertinente a toda espectroscopia.
A energia electromagnética só pode ser absorvida se um ou mais momentos de multipolo do sistema passível de absorvê-la são não nulos, além do momento de ordem zero para electricidade (equivalente à carga total).
Para a maior parte das espectroscopias, a contribuição mais importante é aquela do momento de dipolo. Se esta contribuição variar com o tempo, devido a algum movimento ou fenômeno periódico do sistema (vibração, rotação, etc), a absorção de energia da onda electromagnética de mesma freqüência (ou com freqüências múltiplas inteiras) pode acontecer.
Um campo magnético macroscópico é denotado pela grandeza vetorial conhecida como indução magnética B (ver Equações de Maxwell). Esta é a grandeza observável nas escalas usuais de experiências, e no sistema SI é medida em Tesla, que é equivalente a Weber/m3.
Em nível microscópico, temos outra grandeza relacionada, o campo magnético H, que é o campo que se observa a nível microscópico. No sistema SI é medido em Ampere/m.
O vetor dipolo magnético μ é um dos momentos de multipolo magnéticos 2 e é dado matematicamente por
onde
m é o polo magnético
l é o vetor distância entre os polos do sentido S → N
Para os trabalhos práticos, lida-se com o vetor magnetização M que é um vetor representativo de todos os vetores μ sobre um volume V:
M é, portanto, uma grandeza intensiva.
No vácuo, existe uma relação matemática entre o vetor B e o vetor H:
onde  é a permeabilidade magnética no vácuo.
Para meios materiais, a relação válida é a seguinte:
[editar]Spin e momento angular
Rigorosamente, núcleos não apresentam spin, mas sim momento angular (excepção feita somente ao núcleo do isótopo 1 do hidrogênio, que é constituído por um único próton). Embora o spin possa ser considerado um momento angular, por terem ambos as mesmas unidades e serem tratados por um formalismo matemático e físico semelhante, nem sempre o oposto ocorre. O spin é intrínseco, ao passo que objetos compostos tem momento angular extrínseco.
Contudo, motivos históricos e continuado costume levaram a esse abuso de linguagem, tolerado e talvez tolerável em textos não rigorosos. Um motivo a mais de complicação é o fato de que a moderna física de partículas considerarque certas partículas, antes pensadas como elementares (e portanto possuindo spin), sejam compostas (próton e nêutron compostos de quarks). Assim, fica um tanto impreciso o limite entre os casos onde se deva usar o termo spin e os casos onde se deva usar o termo momento angular.
[editar]Imageamento biológico
A técnica da ressonância magnética nuclear é usada em Medicina e em Biologia como meio de formar imagens internas de corpos humanos e de animais, bem como de seres microscópicos (como no caso da microscopia de RMN). É chamada de tomografia de ressonância magnética nuclear ou apenas de ressonância magnética. Consiste em aplicar em um paciente submetido a um campo magnético intenso, ondas com freqüências iguais às dos núcleos (geralmente do 1H da água) dos tecidos do corpo que se quer examinar. Tais tecidos absorvem a energia em função da quantidade de água do tecido. Entretanto, para se localizar espacialmente o grupo de núcleos de hidrogênio, é mister se empregar um meio de se diferenciar o campo, impondo-lhe gradientes segundo certas direções.
Para imageamento de uma amostra, é necessário que a aparelhagem coloque a aquisição de sinal em função da posição. Esta função matemática é de  em , e essa informação é suprida através de aplicação de um campo magnético que apresenta um gradiente tridimensional. Assim, para cada posição da amostra, dentro da margem de erro resultante da resolução, a aquisição é levemente diferente. O resultado então é tratado pela transformada de Fourier (especificamente FFT: Fast Fourier Transform), sendo resolvido a partir daí no espaço e não mais em frequência.
Os SPINs, tem o seu movimento em seu proprio eixo (ex: como pião),quando um atómo de hidrogênio e posto em um campo magnetico, os spins que esta dentro dele tende a se orientalo em direção do campo magnetico paralelo.
[editar]Notas
Ver Multiplicidade
Para campos magnéticos, só subsistem os momentos de multipolo de ordem par, pelo motivo de que inexistem monopolos magnéticos (até onde se saiba, embora as buscas existam, baseado em argumentos quanto-mecânicos) em sistemas ressoantes as perdas por efeito joule são significativas, o que constitui as caracteristicas não lineare do eletron, já que seu spin é de origem quantica.
Referências
Victor M.S. Gil e Carlos F.G.C. Geraldes - Ressonância Magnética Nuclear - Fundamentos, Métodos e Aplicações - Fundação Calouste Gulbenkian - Coimbra - Portugal - 1987
R. K. Harris e E.B.Mann - NMR and the Periodic Table - Academic Press - London -1978
R. K. Harris - Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy - A Physicochemical View - Longman Scientific & Technical -Essex -England
J. W. Hennel e J. Klinowski - Fundamentals of Nuclear Magnetic Resonance - Longman Scientific & Tecnical - Essex - England - 1993
J. Mason (Editor) - Multinuclear NMR - Plenum Press - New York -1989
Jasper D. Memory - Quantum Theory of Magnetic Resonance Parameters - McGraw-Hill Book Co. - New York - 1968
A. I. Popov e K. Hallenga - Modern NMR Techniques and Their Application in Chemistry - Marcel Dekker, Inc - New York - 1991
P.Sohar - CRC Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Vol. I, II e III - CRC Press, Inc - Boca Raton - Florida - USA
Barry, C.D., North, A.C.T., Glasel, J.A., Williams, R. J.P., Xavier, A.V.(1971) Quantitative determination of mononucleotide conformations in solution using lanthanide ion shift and broadening NMRprobes, Nature 232, 236-245
[editar]Ligações externas