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Un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de sobremesa ( espectrómetro de RMN de sobremesa ) se refiere a un espectrómetro de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier (FT-NMR) que es significativamente más compacto y portátil que los equivalentes convencionales, de modo que es portátil y puede residir en una mesa de laboratorio. Esta conveniencia proviene del uso de imanes permanentes, que tienen un campo magnético más bajo y una menor sensibilidad en comparación con los imanes de RMN superconductores refrigerados por criógeno, mucho más grandes y más costosos. En lugar de requerir infraestructura dedicada, salas e instalaciones extensas, estos instrumentos de mesa se pueden colocar directamente en la mesa de un laboratorio y mover según sea necesario ( p. Ej.,a la campana de humos). Estos espectrómetros ofrecen un flujo de trabajo mejorado, incluso para usuarios novatos, ya que son más simples y fáciles de usar. Se diferencian de los relaxómetros en que se pueden utilizar para medir espectros de RMN de alta resolución y no se limitan a la determinación de los parámetros de relajación o difusión ( por ejemplo, T1, T2 y D).

Desarrollo magnético

Esta primera generación de espectrómetros de RMN utilizó grandes electroimanes que pesaban cientos de kilogramos o más. Los sistemas de imanes permanentes ligeramente más pequeños se desarrollaron en las décadas de 1960 y 1970 a frecuencias de resonancia de protones de 60 y 90 MHz y se utilizaron ampliamente para el análisis químico con métodos de onda continua, pero estos imanes permanentes todavía pesaban cientos de kilogramos y no se podían colocar en una mesa de trabajo. Los imanes superconductores se desarrollaron para lograr campos magnéticos más fuertes para una resolución más alta y una mayor sensibilidad. Sin embargo, estos imanes superconductores son caros, grandes y requieren instalaciones de construcción especializadas. [1]Además, los criógenos necesarios para los superconductores son peligrosos y representan un costo de mantenimiento continuo. [2] [3] [ fuente no confiable? ] Como resultado, estos instrumentos generalmente se instalan en salas o instalaciones de RMN dedicadas para su uso por múltiples grupos de investigación.

Desde principios de la década de 2000 ha habido un renacimiento en la tecnología y el diseño de imanes permanentes, [4] con avances suficientes para permitir el desarrollo de instrumentos de RMN mucho más pequeños con resolución y sensibilidad útiles para la educación, la investigación y las aplicaciones industriales. [5] Los imanes de samario-cobalto y neodimio en particular son lo suficientemente fuertes para instrumentos de hasta 90 MHz. Estos diseños más pequeños, que operan con temperaturas de imán desde temperatura ambiente hasta 60 ° C, permiten que los instrumentos sean lo suficientemente pequeños para caber en una mesa de laboratorio y seguros para operar en un entorno de laboratorio típico. Solo requieren energía local monofásica y con sistemas UPS puede hacerse portátil y puede realizar análisis de RMN en diferentes puntos del área de fabricación.

Desventajas de los imanes pequeños y métodos para superarlos

Una de las mayores desventajas de los espectrómetros de RMN de campo bajo (0,3-1,5T) es la dependencia de la temperatura de los imanes permanentes utilizados para producir el campo magnético principal. En el caso de los imanes pequeños, existía la preocupación de que la intensidad de los campos magnéticos externos pudiera afectar negativamente al campo principal; sin embargo, el uso de materiales de protección magnética dentro del espectrómetro elimina este problema. Los espectrómetros actualmente disponibles se mueven fácilmente de un lugar a otro, incluidos algunos que están montados en carros portátiles con fuentes de alimentación continuas. [6] Otra dificultad relacionada es que los espectrómetros actualmente disponibles no soportan temperaturas de muestra elevadas que pueden ser necesarias para algunas mediciones in situ en reacciones químicas.

Un artículo reciente sugiere que una configuración experimental especial, con dos o más bobinas y osciladores síncronos, puede ayudar a superar este problema [7] y permitirle trabajar con campos magnéticos inestables y con osciladores asequibles.

Los espectros de RMN adquiridos a campo bajo sufren de una menor dispersión de la señal, lo que también conduce a espectros más complicados con señales superpuestas y efectos de orden superior. [8] La interpretación completa de tales espectros requiere análisis espectral mecánico cuántico computacional, [9] para espectros de RMN 1H-1D también conocidos como HiFSA. [10]

Aplicaciones

La espectroscopía de RMN se puede utilizar para análisis químicos, [11] [12] monitoreo de reacciones, [13] y experimentos de garantía de calidad / control de calidad. Los instrumentos de campo superior permiten una resolución incomparable para la determinación de estructuras, particularmente para moléculas complejas. Los instrumentos de campo medio y bajo más baratos, más robustos y más versátiles tienen suficiente sensibilidad y resolución para el monitoreo de reacciones y análisis de QA / QC. [1] Como tal, la tecnología de imanes permanentes ofrece el potencial de extender la accesibilidad y disponibilidad de RMN a instituciones que no tienen acceso a espectrómetros superconductores ( por ejemplo, estudiantes universitarios principiantes [14] o pequeñas empresas).

En la última década se han desarrollado muchas aplicaciones automatizadas que utilizan enfoques de análisis estadístico multivariante (quimiometría) para derivar correlaciones de estructura-propiedad y propiedades químicas y físicas entre espectros de RMN 1H de 60 MHz y datos de análisis primarios, particularmente para aplicaciones de control de procesos petroleros y petroquímicos. [15] [16]

Espectrómetros de RMN de sobremesa disponibles

El desarrollo de esta nueva clase de espectrómetros comenzó a mediados de la década de 2000, lo que dejó a esta como una de las últimas técnicas de espectroscopía molecular disponible para la mesa de trabajo.

Spinsolve

El instrumento Spinsolve de Magritek, con sede en Nueva Zelanda y Alemania , que funciona a 80 MHz, [17] 60 MHz [18] y 42,5 MHz, ofrece muy buena sensibilidad y resolución a menos de 0,5 Hz y pesa menos de 73 kg, 60 kg y 55 kg respectivamente. El modelo ULTRA [19] tiene una resolución aún mayor de 0,2 Hz con una forma de línea de 0,2 Hz / 6 Hz / 12 Hz comparable a las especificaciones de RMN de campo alto. Se pueden medir los espectros de protones 1D, flúor 19F, carbono 13C y fósforo 31P, así como los espectros T1, T2 y 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COSY y JRES . El imán está estabilizado con un bloqueo externo, lo que significa que no requiere el uso de disolventes deuterados . Las muestras se miden con tubos estándar de RMN de 5 mm. y el espectrómetro se controla a través de una computadora externa donde tiene lugar la recopilación y el procesamiento de datos de RMN estándar.

picoSpin

En 2009, picoSpin LLC, con sede en Boulder, Colorado, lanzó el primer espectrómetro de RMN de sobremesa con picoSpin 45. Un espectrómetro pequeño (7 x 5,75 x 11,5 ”) de 45 MHz con buena resolución (<1,8 Hz) y de media a baja -Rango de sensibilidad que pesa 4,76 kg (10,5 libras) y puede adquirir espectros 1D 1H o 19F. PicoSpin fue adquirido por Thermo Fisher Scientific en diciembre de 2012, y posteriormente renombró el producto Thermo Scientific picoSpin 45. [20] En lugar de los tradicionales tubos de RMN estáticos de 5 mm, el espectrómetro picoSpin 45 utiliza un sistema de flujo continuo que requiere la inyección de muestra en un Capilar de cuarzo y PTFE de 1/16 ". Los disolventes deuterados son opcionales debido a la presencia de un bloqueo de software. Solo necesita un navegador web en cualquier computadora externa o dispositivo móvil para el control, ya que el espectrómetro tiene una placa de servidor web incorporada; no se requiere ningún software instalado en una PC dedicada. En agosto de 2013 se presentó una segunda versión, el Thermo Scientific picoSpin 80, que funciona a 82 MHz con una resolución de 1,2 Hz y diez veces la sensibilidad del picoSpin 45 original.

Nanálisis

Nanalysis Corp , con sede en Calgary, AB, Canadá, ofrece dos plataformas de RMN de sobremesa: 60 y 100 MHz, que son 1,4 T y 2,35 T, respectivamente. Los espectrómetros están en un gabinete todo en uno (imán, electrónica y computadora con pantalla táctil) lo que los hace más fáciles de ubicar, pero todos los sistemas se pueden controlar local o remotamente mediante una computadora externa, según lo prefiera el usuario. El 60MHz es el 60MHz más pequeño disponible en el mercado, con un peso de alrededor de 25 kg, y el de 100MHz, poco menos de 100 kg.

Ambas plataformas vienen en un modelo 'e', ​​que puede adquirir 1H / 19F o en un modelo 'PRO' que observa 1H / 19F / X (donde X lo define el cliente pero es más comúnmente 7Li, 11B, 13C, 31P) . Dependiendo del modelo de instrumento, puede realizar experimentos 1D 1H, 13C {1H}, 19F, 31P, 31P {1H}, COSY, JRES, DEPT, APT, HSQC, HSQC-ME, HMBC, T1 y T2. Los espectrómetros utilizan tubos de RMN estándar de 5 mm y son compatibles con la mayoría de los paquetes de software de RMN de terceros.

Nanalysis adquirió RS2D en 2020, expandiendo su cartera de tecnología de resonancia magnética para incluir su tecnología superior cameleon4, consolas de RMN, resonancia magnética preclínica y líneas de productos de resonancia magnética. En 2021, Nanalysis también adquirió la compañía de software con sede en Nueva York, One Moon Scientific, para ofrecer procesamiento de datos de rutina y de alto rendimiento y expandir el análisis de datos de RMN, incluido el aprendizaje automático, la construcción de bases de datos y los algoritmos de búsqueda.

X-Pulse / Pulsar

En 2019, Oxford Instruments lanzó un nuevo espectrómetro de 60 MHz llamado X-Pulse. [21]Este instrumento es una mejora significativa con respecto al sistema Pulsar anterior, lanzado en 2013. X-Pulse tiene la resolución más alta, como estándar, (<0.35 Hz / 10Hz) de los analizadores de RMN de sobremesa sin criógeno disponibles actualmente. Incorpora un imán permanente de tierras raras de 60 MHz. X-Pulse es el único sistema de RMN de sobremesa que ofrece un canal X de banda ancha completo para permitir la medición de 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B y 23Na en una sola sonda. Se puede realizar una amplia gama de mediciones 1D y 2D en todos los núcleos, espectros 1D, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES y muchos otros, incluida la supresión de disolvente y la excitación selectiva. X-Pulse también tiene opciones para RMN de flujo y una sonda de temperatura variable que permite la medición de muestras en tubos de RMN a temperaturas de 20 ° C a 60 ° C.El imán y el espectrómetro están en dos cajas separadas con el imán pesando 149 kg[22] y la electrónica con un peso de 22 kg. X-Pulse requiere un suministro eléctrico de red estándar y utiliza tubos NMR estándar de 5 mm. El control del instrumento proviene del paquete de flujo de trabajo SpinFlow, mientras que el procesamiento y la manipulación de datos se logra mediante paquetes de software de RMN de terceros. Los instrumentos Pulsar se suspendieron en 2019 tras el lanzamiento de X-Pulse.

Bruker

En 2019, Bruker , un fabricante desde hace mucho tiempo y líder del mercado de máquinas de RMN de alto rendimiento, presentó una RMN de sobremesa, Fourier 80 FT-NMR. La máquina utiliza imanes permanentes y funciona con el software estándar de Bruker (un software completo TopSpin 4 para Windows y Linux; también una API basada en Python de Windows y Linux; y una aplicación simplificada llamada GoScan). La máquina se puede configurar para espectros de 1H y 13C (posiblemente más mediante un pedido personalizado) en los modos 1D y 2D, y funciona a 80 MHz (1,88 T). La máquina pesa alrededor de 93 kg y consume menos de 300W cuando está en funcionamiento. [23]

Referencias

  1. ↑ a b Dalitz, F., Cudaj, M. Maiwald, M., Guthausen, G. Prog. Nuc. revista Res. Especificaciones. 2012, 60, 52-70
  2. ^ Tuttle, Brad. "Los precios del helio se dispararon, dejando desinfladas las ventas de globos" . Business.time.com . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  3. ^ DiChristina, Mariette. "La próxima escasez de helio" . Blogs.scientificamerican.com . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  4. ^ Danieli E., Mauler J., Perlo J., Blümich B., Casanova F., J Mag. Res 2009, 198 (1), 80–87
  5. ^ Danieli E., Perlo J., Blümich B., Casanova F., Angewandte Chemie 2010, 49 (24), 4133–4135
  6. ^ "Espectrómetro de RMN de sobremesa móvil Spinsolve facilita la enseñanza de pregrado | Magritek" . www.magritek.com . Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  7. ^ Ibragimova, Elena; Ibragimov, Ilgis (2017). "El espectrómetro de RMN ELEGANTE". arXiv : 1706.00237 [ física.ins-det ].
  8. ^ "Efectos de segundo orden en sistemas acoplados" .
  9. ^ Stephenson, David S. y Gerhard Binsch. "Análisis automatizado de espectros de RMN de alta resolución. I. Principios y estrategia computacional". Revista de resonancia magnética (1969) 37.3 (1980): 395-407
  10. ^ Napolitano, José G., et al. "Análisis espectral de 1H RMN completo de diez marcadores químicos de Ginkgo biloba". Resonancia magnética en química 50.8 (2012): 569-575
  11. ^ Jacobsen, NE, "Explicación de la espectroscopia de RMN: teoría simplificada, aplicaciones y ejemplos de química orgánica y biología estructural" 2007, John Wiley & Sons, Inc .: Hoboken, Nueva Jersey
  12. ^ Friebolin, H. "Espectroscopia de RMN básica unidimensional y bidimensional" 5.ª edición 2011, Wiley-VCH: Alemania
  13. ^ Berger, S; Braun, S .; “200 y más experimentos de RMN: un curso práctico” 2004 Wiley-VCH: Alemania
  14. ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 21 de agosto de 2013 . Consultado el 10 de junio de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
  15. ^ "Procesos de espectroscopia de RMN: tecnología y aplicaciones en línea" John C. Edwards y Paul J. Giammatteo, Capítulo 10 en Tecnología analítica de procesos: Herramientas espectroscópicas y estrategias de implementación para las industrias química y farmacéutica, 2ª Ed., Editora Katherine Bakeev , Blackwell-Wiley, 2010
  16. ^ "Una revisión de las aplicaciones de la espectroscopia de RMN en la química del petróleo" John C. Edwards, capítulo 16 de la monografía 9 sobre análisis espectroscópico de productos petrolíferos y lubricantes, editor: Kishore Nadkarni, ASTM Books, 2011.
  17. ^ Magritek. "Descarga del folleto de RMN de sobremesa Spinsolve 80" . Go.magritek.com . Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  18. ^ [1] [ enlace muerto ]
  19. ^ Magritek. "Descarga del folleto de NMR de sobremesa de Spinsolve ULTRA" . Go.magritek.com . Consultado el 6 de agosto de 2017 .
  20. ^ "Sala de prensa corporativa de Thermo Fisher Scientific" . News.thermofisher.com . Consultado el 28 de octubre de 2018 .
  21. ^ "X-Pulse es el primer sistema de RMN de sobremesa del mundo que ofrece una verdadera capacidad multinuclear: resonancia magnética" . Oxford Instruments . Consultado el 18 de febrero de 2020 .
  22. ^ "Hoja de especificaciones de Oxford Pulsar" (PDF) . Acs.expoplanner.com . Archivado desde el original (PDF) el 7 de agosto de 2017.
  23. ^ "RMN de sobremesa | Espectrómetro | Resonancia magnética nuclear" . Bruker.com . Consultado el 12 de agosto de 2020 .