Espectroscopía y Resonancia Magnética Nuclear: Fundamentos y Aplicaciones

Espectroscopía

Factores que originan el ensanchamiento de líneas espectrales

• Ensanchamiento por incertidumbre: Las líneas espectrales tienen amplitudes definidas porque los tiempos de vida de uno o ambos estados de transición son finitos. Si la anchura de la línea atómica entre dos estados es 0, los tiempos de vida de los dos estados son ∞. Si el tiempo de vida del electrón en estado basal es largo, los tiempos de vida de los estados excitados son cortos.
• Ensanchamiento Doppler: La longitud de onda emitida o absorbida por un átomo con velocidad alta disminuye si se acerca al lector.
• Ensanchamiento por presión: Causado por colisiones de átomos emitidos o absorbidos con otros átomos del medio caliente, produciendo cambios en la energía y la longitud de onda.
• Ensanchamiento por campo magnético: Origina perturbaciones en líneas de absorción o emisión, solo se pone de manifiesto en campos magnéticos muy intensos.

Teoría de la Cromatografía

Describen los efectos de las variables que afectan el ancho de una banda de elución a medida que el compuesto pasa por la columna.

Ecuación de Van Deemter

Describe la eficacia de la columna en separar los componentes de la muestra. Los picos cromatográficos son afectados por:

1. Difusión de remolino: Diferentes caminos que toman las moléculas del soluto al atravesar la fase estacionaria.
2. Difusión longitudinal: Diferentes direcciones de flujo debido a la porosidad de las partículas que lo componen.
3. Resistencia a la transferencia de masa: Al pasar de la fase móvil a la fase estacionaria, las moléculas se transfieren a diferentes velocidades.

Espectrometría de Masas

Impacto de electrones

La muestra se somete a alta temperatura produciendo vapor molecular, el cual se ioniza bombardeando con electrones. Las moléculas experimentan reacciones primarias y no aparece el pico base.

Ionización química

La muestra gaseosa es ionizada por colisión con iones de un gas reactivo en exceso como metano o amoniaco, generado a partir de impacto electrónico. Las colisiones son reactivas e implican transferencia de H+ o hidruros. Se potencia la formación del ion molecular y hay poca fragmentación.

Desorción-Ionización Asistida por Matriz (MALDI)

Permite obtener información sobre el peso molecular de biopolímeros. Se deposita una baja concentración del analito sobre una matriz sólida o líquida en el extremo de una sonda de acero inoxidable o en una placa de metal. Esta última se coloca en una cámara de vacío y un rayo láser se enfoca sobre la muestra. La matriz debe absorber de forma intensa la radiación láser. Después, la matriz y el analito son desorbidos e ionizados, lo que produce un penacho de iones. El tipo más común es el MALDI-TOF. Ejemplo: cuantificación microbiana.

Electrospray

A presión y temperatura ambiente, la solución de la muestra se bombardea a través de una aguja capilar de acero inoxidable, produciendo nieblas de finas gotitas que pasan después por un capilar de solvatación, donde se produce la evaporación del solvente y donde la molécula del analito adquiere carga. El proceso se repite hasta que el solvente es eliminado del analito, quedando solo una molécula del analito con carga y m/z tan bajo que es detectado por el espectrómetro cuadrupolar.

Analizador de masas de tiempo de vuelo (TOF)

Los iones positivos se producen de forma periódica al bombardear la muestra con impulsos de electrones, de iones secundarios o de fotones generados por láser. Los iones producidos son acelerados en un tubo de arrastre libre de campo mediante un campo eléctrico pulsante de 10³ a 10⁴ V. La separación de los iones en función de la masa se produce durante su recorrido hasta el detector, situado al final del tubo. Dado que todos los iones que entran en el tubo tienen la misma energía cinética, la velocidad es inversamente proporcional a la masa.

Espectrómetro analizador cuadrupolar

Son menos costosos, más robustos y compactos, con menor tiempo de barrido. Transmiten iones de baja m/z, el resto es neutralizado y eliminado. Los iones se aceleran en el espacio entre las barras por una diferencia de potencial. Los iones chocan contra la barra con la m/z incorrecta y se convierten en neutros.

Analizador trampa de iones

Se aplica un potencial de radiofrecuencia variable al electrodo anular mientras los dos electrodos colectores están conectados a tierra. Los iones con un valor de m/z adecuado circulan en una órbita estable dentro de la cavidad que está rodeada por el anillo. Cuando se aumenta el potencial de radiofrecuencia, las órbitas de los iones más pesados llegan a estabilizarse, pero las de los iones más ligeros se desestabilizan, lo que causa que choquen con la pared del electrodo anular. Se produce luego una expulsión por selección de masa.

Resonancia Magnética Nuclear

Para explicar las propiedades de ciertos núcleos, es necesario suponer que giran alrededor de un eje y, por consiguiente, tienen la propiedad de espín. Los núcleos con espín tienen una cantidad de movimiento angular o momento angular p. Además, el componente máximo observable de esta cantidad de movimiento angular está cuantizada y debe ser un múltiplo entero o semientero de h/2π, donde h es la constante de Planck. El número máximo de componentes de espín o valores de p para un núcleo en particular es su número cuántico de espín I. El núcleo entonces tiene 2I + 1 estados discretos. El componente de la cantidad de movimiento angular de estos estados en cualquier dirección elegida tendrá los valores de I, I - 1, I - 2, ..., -I. Si no hay un campo externo, la energía de los distintos estados es idéntica. Los cuatro núcleos ¹H, ¹³C, ¹⁹F y ³¹P son los únicos cuatro que se estudian. El número cuántico de espín de esos núcleos es 1/2. Cada núcleo tiene dos estados de espín, que corresponden a I = +1/2 e I = -1/2. Un núcleo cargado y que gira crea un campo magnético análogo al que se produce cuando una corriente eléctrica fluye a través de una bobina. El momento magnético resultante m se orienta a lo largo del eje del espín y es proporcional a la cantidad de movimiento angular p.