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Gradiente do campo elétrico e momento quadrupolo nuclear: como esses dois determinam as propriedades da matéria?
A espectroscopia de ressonância quadrupolo nuclear (NQR) é uma técnica de análise química intimamente relacionada à ressonância magnética nuclear (RMN). Ao contrário da RMN, a ressonância nuclear da RQN pode ser detectada sem um campo magnético externo, por isso a espectroscopia da RQN também é chamada de "RMN de campo zero". A ressonância do NQR é mediada pela interação entre o gradiente do campo elétrico (EFG) e o momento quadrupolo da distribuição de carga nuclear. Ao contrário da RMN, a RQN é aplicável apenas a sólidos e não a líquidos, porque em líquidos o gradiente do campo elétrico próximo aos núcleos tem média zero e o tensor EFG tem traço zero. Como o EFG da localização de um núcleo específico em uma substância é determinado principalmente pelos elétrons de valência que participam de ligações específicas com outros núcleos próximos, a frequência NQR da transição é única naquela substância.
A frequência de NQR em um composto ou cristal específico é proporcional ao produto do momento quadrupolo nuclear (uma propriedade do núcleo) e o EFG próximo ao núcleo.
Um fenômeno semelhante, mas não idêntico, na RMN é a constante de acoplamento, também resultado de interações internucleares no analito. Qualquer núcleo com mais de uma partícula nuclear desemparelhada (próton ou nêutron) terá uma distribuição de carga que resulta em um momento quadrupolo elétrico. Os níveis de energia nuclear permitidos mudam de forma desigual devido à interação da carga nuclear com o gradiente do campo elétrico fornecido pela distribuição desigual da densidade eletrônica.
A energia direcionada ao núcleo por meio de radiação eletromagnética pode fazer com que o núcleo absorva alguma energia, o que pode ser visto como uma perturbação nos níveis de energia do quadrupolo. Diferentemente do caso da RMN, a absorção na RQN ocorre na ausência de um campo magnético externo. A aplicação de um campo estático externo aos núcleos quadrupolos dividirá os níveis de energia quadrupolos de acordo com a interação de Zeeman.
A tecnologia NQR é muito sensível à natureza e simetria da ligação ao redor do núcleo e pode caracterizar mudanças de fase em sólidos em diferentes temperaturas.
Devido à simetria, esses deslocamentos têm média zero na fase líquida, de modo que os espectros NQR só podem ser medidos na fase sólida. No caso da RMN, núcleos com spin ≥ 1/2 possuem um momento de dipolo magnético, de modo que sua energia pode ser particionada pelo campo magnético, resultando em uma absorção ressonante de energia relacionada à frequência de Larmor. No caso do NQR, núcleos com spin ≥ 1, como 14N, 17O, 35Cl e 63Cu, também apresentam momentos quadrupolo elétricos. O momento quadrupolo nuclear está relacionado à distribuição de carga nuclear não esférica, que indica o grau em que a distribuição de carga nuclear se desvia de uma forma esférica, ou seja, a forma elipsoide ou de disco do núcleo.
NQR é uma observação direta da interação entre o momento quadrupolo e o gradiente do campo elétrico local (EFG) do seu ambiente. A frequência de transição NQR é proporcional ao momento quadrupolo elétrico do núcleo e à força do EFG local. Entretanto, em sólidos, a intensidade do EFG atinge vários quilovolts por metro quadrado, portanto não é viável realizar experimentos de NQR com um EFG específico, como em RMN, selecionando o campo magnético externo.
Os espectros NQR são específicos de uma substância e, portanto, são chamados de "impressões digitais químicas".
Devido à forte dependência da frequência do NQR na temperatura, o NQR pode ser usado como um sensor de temperatura preciso com uma resolução de até 10^−4 °C. A aplicação do espectro NQR também tem amplas perspectivas e grande potencial para desempenhar um papel na indústria farmacêutica. Em particular, a aplicação de 14N-NQR permite a discriminação de compostos enantioméricos em misturas racêmicas, como D-serina e L-serina. Embora esses dois compostos tenham composições semelhantes, eles têm propriedades completamente diferentes. A D-serina pode se tornar um biomarcador para a doença de Alzheimer e um medicamento para o tratamento da esquizofrenia, enquanto a L-serina é um medicamento que está passando pelo FDA para humanos. Um medicamento em ensaios clínicos conhecido por seu potencial para tratar esclerose lateral amiotrófica.
O NQR também tem a capacidade de distinguir polimorfos cristalinos. Por exemplo, compostos contendo sulfonamidas demonstraram sensibilidade ao polimorfismo. A diferença na frequência do NQR, bem como as diferenças nas constantes de acoplamento do quadrupolo e nos parâmetros de assimetria, permite a diferenciação de polimorfos, uma capacidade que torna o NQR uma ferramenta poderosa para autenticação de medicamentos e combate à falsificação.
Várias equipes de pesquisa ao redor do mundo estão trabalhando para desenvolver a tecnologia NQR para detectar explosivos. Equipamentos projetados para detectar minas e explosivos escondidos em bagagens foram testados. Tal sistema de detecção consiste em uma fonte de energia de radiofrequência (RF), uma bobina que gera um campo de excitação magnética e um circuito de detecção que monitora a resposta RF NQR do explosivo. . . Até mesmo um dispositivo falso chamado ADE 651 afirma usar NQR para detectar explosivos, mas na verdade não consegue fazer isso.
Mesmo assim, o dispositivo foi vendido com sucesso por milhões de dólares para dezenas de países, incluindo o governo iraquiano.
A principal limitação do NQR vem da abundância de isótopos. O NQR requer a presença de um momento quadrupolo diferente de zero, que só é observado em núcleos com spin maior ou igual a um e cuja distribuição de carga local se desvia da simetria esférica. Embora as técnicas NQR existentes tenham baixa intensidade de sinal devido à baixa abundância isotópica da maioria dos núcleos ativos de NQR, a espectroscopia NQR ainda mostra sua utilidade em muitos cenários práticos.
Diante das infinitas possibilidades da NQR, poderemos superar as limitações tecnológicas existentes no futuro e permitir que essa tecnologia desempenhe um papel maior em mais campos?
