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Il mistero della risonanza quadrupolare nucleare: come funziona in un campo magnetico zero?
La spettroscopia di risonanza quadrupolare nucleare (NQR) è una tecnica di analisi chimica correlata alla risonanza magnetica nucleare (NMR). A differenza della NMR, la tecnica NQR è in grado di rilevare transizioni nucleari in assenza di un campo magnetico esterno, per questo motivo viene spesso definita "NMR a campo zero". Il verificarsi della risonanza quadrupolare nucleare dipende dall'interazione tra il gradiente del campo elettrico (EFG) e il momento quadrupolare della distribuzione di carica nucleare. Questa interazione rende l'NQR efficace per l'analisi di materiali solidi, ma non per i liquidi, dove il gradiente del campo elettrico vicino al nucleo è in media pari a zero.
Principio
Ogni nucleo con più di una particella nucleare spaiata (come un protone o un neutrone) avrà un momento di quadrupolo elettrico, che rende i suoi livelli energetici irregolari a causa dell'interazione tra la carica nucleare e la densità di impurità degli elettroni. Offset. Quando la radiazione elettromagnetica a radiofrequenza viene applicata al nucleo in un ambiente privo di campo magnetico esterno, la perturbazione dell'energia nucleare provoca l'assorbimento del livello energetico del quadrupolo. Ciò consente alla NQR di caratterizzare diverse transizioni di fase nei materiali solidi."La spettroscopia di risonanza del quadrupolo nucleare è estremamente sensibile per l'analisi dei cambiamenti strutturali chimici e delle transizioni di fase nella materia."
Analogie tra NQR e NMR
Nella risonanza magnetica nucleare (NMR), i nuclei con uno spin rotazionale pari o superiore a 1/2 produrranno una scissione dell'energia dovuta al campo magnetico esterno, con conseguente assorbimento per risonanza. Nell'NQR, i nuclei con spin rotazionale uguale o maggiore di 1 (come 14N, 17O, ecc.) hanno un momento di quadrupolo elettrico, la cui esistenza è dovuta alla forma non sferica della distribuzione di carica nucleare. Pertanto, se eseguita correttamente, la tecnologia NQR può fornire un'impronta chimica di una sostanza.
"Lo spettro NQR è un'impronta chimica unica che rivela piccole differenze tra i materiali."
Applicazioni e potenzialità
NQR può esplorare in profondità l'interazione tra il momento di quadrupolo nucleare e il gradiente del campo elettrico attorno al nucleo. Pertanto, NQR mostra un eccellente potenziale applicativo nello studio delle caratteristiche strutturali, del legame chimico e delle transizioni di fase dei composti allo stato solido. Ad esempio, nel campo farmaceutico, il 14N-NQR è stato applicato con successo per distinguere gli enantiomeri in miscele racemiche, come D-serina e L-serina. La D-serina è considerata un potenziale biomarcatore per il morbo di Alzheimer, mentre la L-serina ha dimostrato di avere potenzialità nel trattamento della sclerosi laterale.
Sfide e sviluppi tecnici
Tuttavia, permangono delle sfide tecniche per l'NQR. Le principali limitazioni includono i grandi volumi di campione richiesti e le basse intensità del segnale. Inoltre, la tecnica NQR richiede che il nucleo abbia un momento di quadrupolo diverso da zero, che è limitato ai nuclei con un numero di spin maggiore o uguale a 1. La bassa intensità del segnale NQR ha reso necessario l'utilizzo di una grande quantità di campione in questo studio.
Prospettive future
Attualmente, team di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando per trovare applicazioni per l'NQR nel rilevamento di esplosivi. Il sistema di rilevamento NQR è costituito da una fonte di energia a radiofrequenza (RF), una bobina che genera un campo magnetico e un circuito di rilevamento in grado di rilevare la reazione NQR dei componenti esplosivi dell'oggetto sottoposto a test. Sebbene alcuni dispositivi contraffatti affermino di utilizzare la tecnologia NQR, suscitano comunque preoccupazione perché in realtà non riescono a svolgere le funzioni dichiarate.
“NQR mostra anche un grande potenziale nelle applicazioni nei giacimenti petroliferi, consentendo il calcolo in tempo reale della capacità residua di un pozzo petrolifero e del rapporto tra acqua, gas e petrolio durante il processo di estrazione.”
Con il progresso della tecnologia e lo sviluppo di vari progetti di ricerca, gli scenari applicativi dell'NQR continueranno ad ampliarsi. Questa tecnologia non solo dimostra il suo valore nella ricerca scientifica, ma può anche avere un profondo impatto sul nostro ambiente e sulla nostra salute nella nostra vita quotidiana. È possibile sfruttare al meglio questa tecnologia per aprire un nuovo capitolo nella risonanza quadrupolare nucleare?
