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Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR)

1946
  • Isidor Isaac Rabi
  • Felix Bloch
  • Edward Mills Purcell
Nuclear Magnetic Resonance spectrometer in an analytical chemistry laboratory.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spettroscopia is a technique that exploits the magnetic properties of certain atomic nuclei. It places a sample in a strong, constant magnetic field and probes it with radio waves. The nuclei absorb and re-emit electromagnetic radiation at a specific resonance frequency, which depends on the intramolecular magnetic field, revealing detailed information about the structure, dynamics, and chemical environment of molecules.

The principle of NMR is based on the quantum mechanical property of nuclear spin. Nuclei with a non-zero spin, such as ¹H (protons) and ¹³C, behave like tiny magnets. When placed in an external magnetic field ([latex]B_0[/latex]), these nuclear spins align either with or against the field, creating two distinct energy states. The energy difference between these states is proportional to the strength of [latex]B_0[/latex]. By applying a radiofrequency (RF) pulse at the precise frequency (the Larmor frequency) that matches this energy gap, the nuclei can be excited from the lower to the higher energy state. This absorption of energy is the “resonance” phenomenon. When the RF pulse is turned off, the nuclei relax back to their lower energy state, emitting a signal that is detected by the NMR spectrometer. Crucially, the exact resonance frequency of a nucleus is slightly altered by the local electronic environment, an effect called the “chemical shift”. This allows chemists to distinguish between, for example, protons in a methyl group (-CH₃) versus protons in a hydroxyl group (-OH) within the same molecule. Further complexities, like spin-spin coupling, provide information about which atoms are connected to each other, enabling the complete elucidation of molecular structures.

UNESCO Nomenclature: 2501
– Analytical chemistry

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Scoperta dello spin nucleare da parte di Wolfgang Pauli (1924)
  • Isidor Rabi’s molecular beam magnetic resonance experiment (1938)
  • Sviluppo di elettromagneti potenti e stabili e di elettronica a radiofrequenza sensibile

Applicazioni

  • determinazione della struttura 3D delle proteine ​​e di altre biomolecole complesse
  • risonanza magnetica per immagini (RMI) in medicina
  • controllo di qualità della sintesi chimica
  • ricerca metabolomica
  • scienza dei materiali per la caratterizzazione di polimeri e solidi

Brevetti:

NA

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