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Gradiente de campo eléctrico y momento cuadrupolo nuclear: ¿cómo determinan estos dos las propiedades de la materia?
La espectroscopia de resonancia cuadrupolo nuclear (NQR) es una técnica de análisis químico estrechamente relacionada con la resonancia magnética nuclear (RMN). A diferencia de la RMN, la resonancia nuclear de NQR se puede detectar sin un campo magnético externo, por lo que la espectroscopia NQR también se denomina "RMN de campo cero". La resonancia de NQR está mediada por la interacción entre el gradiente de campo eléctrico (EFG) y el momento cuadrupolar de la distribución de carga nuclear. A diferencia de la RMN, la RNC solo se aplica a sólidos y no a líquidos, porque en los líquidos el gradiente del campo eléctrico cerca de los núcleos se promedia a cero y el tensor EFG tiene una traza cero. Dado que la EFG de la ubicación de un núcleo particular en una sustancia está determinada principalmente por los electrones de valencia que participan en enlaces específicos con otros núcleos cercanos, la frecuencia NQR de la transición es única en esa sustancia.
La frecuencia de NQR en un compuesto o cristal particular es proporcional al producto del momento cuadrupolo nuclear (una propiedad del núcleo) y el EFG cerca del núcleo.
Un fenómeno similar, pero no idéntico, en la RMN es la constante de acoplamiento, también resultado de interacciones internucleares en el analito. Cualquier núcleo con más de una partícula nuclear desapareada (protón o neutrón) tendrá una distribución de carga que resulta en un momento cuadrupolo eléctrico. Los niveles de energía nuclear permitidos cambian de manera desigual debido a la interacción de la carga nuclear con el gradiente del campo eléctrico proporcionado por la distribución desigual de la densidad de electrones.
La energía dirigida hacia el núcleo a través de la radiación electromagnética puede hacer que el núcleo absorba algo de energía, lo que puede verse como una perturbación en los niveles de energía del cuadrupolo. A diferencia del caso de RMN, la absorción en NQR ocurre en ausencia de un campo magnético externo. La aplicación de un campo estático externo a los núcleos cuadrupolos dividirá los niveles de energía del cuadrupolo según la interacción Zeeman.
La tecnología NQR es muy sensible a la naturaleza y simetría de los enlaces alrededor del núcleo y puede caracterizar los cambios de fase en sólidos a diferentes temperaturas.
Debido a la simetría, estos cambios se promedian en cero en la fase líquida, por lo que los espectros NQR solo se pueden medir en la fase sólida. En el caso de la RMN, los núcleos con espín ≥ 1/2 poseen un momento dipolar magnético, de modo que su energía puede ser repartida por el campo magnético, dando como resultado una absorción resonante de energía relacionada con la frecuencia de Larmor. En el caso de NQR, los núcleos con espín ≥ 1, como 14N, 17O, 35Cl y 63Cu, también tienen momentos cuadrupolares eléctricos. El momento cuadrupolo nuclear está relacionado con la distribución de carga nuclear no esférica, que indica el grado en que la distribución de carga nuclear se desvía de una forma esférica, es decir, la forma de elipsoide o disco del núcleo.
NQR es una observación directa de la interacción entre el momento cuadrupolo y el gradiente de campo eléctrico local (EFG) de su entorno. La frecuencia de transición NQR es proporcional al momento cuadrupolar eléctrico del núcleo y a la fuerza del EFG local. Sin embargo, en sólidos, la fuerza del EFG alcanza varios kilovoltios por metro cuadrado, por lo que no es factible realizar experimentos NQR con un EFG específico, como en RMN, seleccionando el campo magnético externo.
Los espectros NQR son específicos de una sustancia y, por lo tanto, se denominan "huellas químicas".
Debido a la fuerte dependencia de la frecuencia NQR de la temperatura, NQR se puede utilizar como un sensor de temperatura preciso con una resolución de hasta 10^−4 °C. La aplicación del espectro NQR también tiene amplias perspectivas y tiene un gran potencial para desempeñar un papel en la industria farmacéutica. En particular, la aplicación de 14N-NQR permite la discriminación de compuestos enantioméricos en mezclas racémicas, como D-serina y L-serina. Aunque estos dos compuestos tienen composiciones similares, tienen propiedades completamente diferentes. La D-serina puede convertirse en un biomarcador de la enfermedad de Alzheimer y un fármaco para el tratamiento de la esquizofrenia, mientras que la L-serina es un fármaco que se encuentra en fase de ensayos clínicos en humanos por parte de la FDA. Conocido por su potencial para tratar la esclerosis lateral amiotrófica.
NQR también tiene la capacidad de distinguir polimorfos cristalinos. Por ejemplo, los compuestos que contienen sulfonamidas han mostrado sensibilidad al polimorfismo. La diferencia en la frecuencia NQR, así como las diferencias en las constantes de acoplamiento cuadrupolo y los parámetros de asimetría, permiten la diferenciación de polimorfos, una capacidad que hace de NQR una herramienta poderosa para la autentificación de medicamentos y la lucha contra la falsificación.
Varios equipos de investigación de todo el mundo están trabajando para desarrollar la tecnología NQR para detectar explosivos. Se han probado equipos diseñados para detectar minas y explosivos ocultos en el equipaje. Este sistema de detección consta de una fuente de energía de radiofrecuencia (RF), una bobina que genera un campo de excitación magnética y un circuito de detección que monitorea la respuesta RF NQR del explosivo. . . Incluso un dispositivo falso llamado ADE 651 afirma utilizar NQR para detectar explosivos, pero en realidad no puede hacerlo.Sin embargo, el dispositivo se vendió con éxito por millones de dólares a docenas de países, incluido el gobierno iraquí.
La principal limitación del NQR proviene de la abundancia de isótopos. La NQR requiere la presencia de un momento cuadrupolo distinto de cero, que sólo se observa en núcleos con espín mayor o igual a uno y cuya distribución de carga local se desvía de la simetría esférica. Aunque las técnicas NQR existentes tienen una intensidad de señal baja debido a la baja abundancia isotópica de la mayoría de los núcleos NQR activos, la espectroscopia NQR aún muestra su utilidad en muchos escenarios prácticos.
Frente a las infinitas posibilidades de NQR, ¿podemos superar las limitaciones tecnológicas existentes en el futuro y permitir que esta tecnología desempeñe un papel más importante en más campos?
