Capítulo Diecinueve
Aplicaciones No-médicas
de la RMN y la IRM

as aplicaciones de la RMN y de la imagen por RM en la industria se han generalizado y su uso afecta tanto a compuesto orgánicos como in­or­gá­ni­cos. El análisis rutinario de productos químicos es probablemente el uso más común, pero la RMN es suficientemente flexible para ser usada, por ejem­plo, para medir la relación agua-grasa de los alimentos, monitorizar el flujo de líquidos corrosivos en tuberías o para estudiar la estructura de moléculas com­ple­jas como los catalizadores.

Este resumen no pretende ser exhaustivo, pero ofrece algunos datos sobre po­sib­les aplicaciones. Además, subraya las dificultades, retos y posibilidades de la investigación y enseñanza interdisciplinaria. Las aplicaciones industriales pue­den dividirse en químicas, biológicas, paramédicas (proteínas), de pro­ce­sa­mi­ento de dados y pruebas no destructivas.

Figura 19-01:
Nottingham Evening Post, 22 October 1974: Waldo Hinshaw, Peter Mansfield, and Bill Derbyshire – and their NMR equipment. Derbyshire worked on relaxation time measurements of fish muscle and the change of taste of salmon after violent death. More applications in food science followed rapidly.

19-01 Aplicaciones químicas

19-01-01 Aspectos generales

La espectroscopía por RMN del hidrógeno (¹H) y carbono (¹³C) de soluciones químicas es indispensable para el químico orgánico para identificar los pro­duc­tos de la última reacción. El análisis es rápido y simple y no requiere una mues­tra especialmente pura. Este es, probablemente, el tipo de trabajo más común en todo el mundo realizado con RMN y seguirá siendo así durante varios años. Sin embargo, esto no nos permite intuir la enorme versatilidad de la RMN como técnica y la amplia gama de información que permite obtener de los diferentes sistemas.

19-01-02 Análisis de petróleo y carbón

Aunque existen otras técnicas, el análisis de las fracciones de bajo peso mo­le­cu­lar de los petróleos se puede realizar por RMN. Las fracciones de mayor peso mo­le­cu­lar que son muy viscosas o incluso sólidas son más difíciles de analizar pe­ro las técnicas de RMN de estado sólido pueden resultar muy útiles.

La RMN de ¹³C de estado sólido se ha realizado en querógenos (un tipo in­ma­du­ro de carbón). La información obtenida cuando se aplica una com­bi­na­ción con otros tipos de análisis puede emplearse para predecir si el querógeno proviene de un sitio que es formador de gas o de petróleo. Esta información es ex­tre­ma­da­men­te valiosa para la planificación de un programa de exploración y per­fo­ra­ción. Entre las posibles nuevas aplicaciones en este campo se encuentra el des­ar­ro­llo de un sistema portátil de imagen/espectroscopía por RM que pudiera tras­la­dar­se a una zona potencial de perforación.

Los catalizadores llamados zeolitas se emplean en grandes cantidades en la industria petrolífera para romper las moléculas de mayor peso molecular y pro­du­cir moléculas de carbono más pequeñas para ser usadas como com­bus­tib­les en coches y en vehículos pesados. Las zeolitas son un grupo complicado de mo­lé­cu­las compuestas principalmente de silicio y aluminio.

La espectroscopía por RM de silício-29 (²⁹Si) y aluminio-27 (²⁷Al) de estado sólido se ha empleado ampliamente para estudiar la estructura de estas mo­lé­cu­las para entender desde cómo funcionan hasta para elegir o diseñar un tipo de ca­ta­li­za­do­res más eficientes.

19-01-03 Flujo en conductos

La medición precisa del flujo en las tuberías es un problema difícil para muchas industrias. El petróleo en tuberías (o en oleoductos), el carbón fluidificado, los fluidos corrosivos, etc. todos han sido medidos con RMN, ya que desde 1968 se encuentra disponible comercialmente un caudalímetro por RMN. La naturaleza no invasiva de la RMN la hace muy adecuada para sistemas con productos quí­mi­cos desagradables o a presiones extremas, pero a pesar de sus excelentes re­sul­ta­dos en algunos ejemplos clave aún hay espacio para un uso mucho mayor de control de flujos por RMN, por ejemplo caudalímetros para oleoductos que evalúen cualitativamente el petróleo transportado de forma simultánea.

19-01-04 Núcleos de perforación

Recientemente se ha puesto un importante esfuerzo en los estudios espec­tro­scó­pi­cos y de imagen en los núcleos de perforación de pozos. Los estudios espec­tro­scó­pi­cos han obtenido correlación entre los resultados de la RMN y el contenido en mineral, la geometría del poro y la química de superficie de estas rocas. Se es­pe­ra que esto lleve a nuevos conocimientos sobre la geología de las rocas o a que la RMN sea un método más rápido, sencillo y barato para obtener la misma información.

La imagen por RMN se está empleando para obtener un mapa tridimensional de la distribución de petróleo y agua en los núcleos y al final será capaz de mo­ni­to­ri­zar el flujo de petróleo y agua a través de los núcleos. Esta información es vi­tal para los modelos utilizados en la predicción de la extracción de petróleo de los yacimientos, en los que una mejora del 1% supone millones de dólares de ga­nan­cias o pérdidas.

La imagen por RM puede ser usada para obtener imágenes de núcleos de hielo de los glaciales y de las regiones polares con hielo permanente.

19-01-05 Plásticos y polímeros

Algunas muestras tienen en su mayor parte interés como sólidos. Algunos ej­emp­los importantes se encuentran en la ciencia de los polímeros en la que las propiedades del sólido son las más importantes no las de las subunidades que conforman el sólido. La RMN de estado sólido se emplea para estudiar como los plásticos se unen, para relacionar sus propiedades químicas con las propiedades físicas ya conocidas. Esta información puede usarse para mejorar los plásticos y desarrollar algunos nuevos. Hay muy pocas alternativas a la RMN para obtener este tipo de información de los polímeros.

19-01-06 Cristales líquidos

Los cristales líquidos se emplean en relojes, calculadoras, televisores y pantallas de ordenador. Estos también son muy complicados de estudiar por otros mé­to­dos que no sean la RMN. Como los plásticos, la información sobre el em­pa­que­ta­mi­en­to de las moléculas muestra cómo la estructura se relaciona con las pro­pie­da­des funcionales y por lo tanto, puede ayudar a crear nuevos productos.

19-01-07 Fármacos

La RMN de alta resolución es una herramienta valiosa cuando se utiliza para iden­ti­fi­car y caracterizar nuevos fármacos y sus propiedades de unión. Esto es posible para moléculas en las que existen dos o más formas diferentes en el esta­do sólido. La RMN de estado sólido puede emplearse para detectar esto. Los isómeros pueden tener actividad biológica diferente lo que puede provocar que el fabricante desee aislar uno de otro. Además, un competidor podría saltarse las patentes en caso de que la existencia de isómeros no hubiera sido correctamente documentada.

La resonancia magnética también se está aplicando para observar las pro­pie­da­des e interacciones de los fármacos con proteínas, llevar a cabo estudios de to­xi­co­lo­gía y determinar concentraciones.

19-01-08 Cemento y hormigón

El estudio del proceso de hidratación del cemento es de gran interés para la in­dus­tria. Aumentar tanto la velocidad como el grado de hidratación son objetivos altamente deseables ya que aumentan la velocidad de montado y la resistencia del hormigón.

Los cambios en el hormigón pueden seguirse durante períodos de 90 días o más y por lo tanto pueden caracterizarse los efectos de diferentes aditivos du­ran­te el proceso de secado. Hasta que se demostró que los estados sólidos del cemento se pueden ver cla­ra­men­te en la espectroscopía de 29Si de estado sólido ambos procesos eran difíciles de cuantificar.

19-01-09 Celulosa y papel

La industria de la pasta de papel y el papel utilizan mezclas complejas de com­pues­tos de alto peso molecular de la celulosa como materia prima. La RMN de estado sólido se ha utilizado pa­ra caracterizar la pasta y puede ser empleada para determinar el efecto de diferentes tratamientos químicos o mecánicos sob­re el tipo de pasta producida. Existen posibilidades de monitorizar la producción de pasta en la industria.

19-01-10 Explosivos

No es posible (o al menos no es seguro) examinar directamente explosivos. Sin embargo, es posible estudiar análogos químicos de los explosivos como acetil-celulosa para mejorar la comprensión de la estructura química de estos ma­te­ria­les. Al relacionar la estructura química con las propiedades funcionales se puede ayudar al diseño más seguro y eficaz de explosivos.

19-01-11 Cuero y caucho

Se están realizando intentos para reemplazar las sales de cromo en el curtido de pieles por sales de aluminio más respetuosas con el medio ambiente.

Parece probable que la RMN de ²⁷Al de estado sólido pueda ayudar a ca­rac­te­ri­zar el curtido de pieles. De manera similar, puede analizarse el caucho de los neumáticos.

19-01-12 Imágenes de materiales sólidos

La imagen de materiales sólidos se encuentra actualmente en un desarrollo muy precoz. Al igual que en la imagen médica el núcleo observado es el ¹H, pero a di­fe­ren­cia de la imagen médica donde la señal es relativamente fuerte y larga, la señal del protón en materiales sólidos es generalmente difícil de detectar ya que es muy amplia y únicamente dura un tiempo relativamente corto. El propósito de estos experimentos sería realizar un análisis no destructivo de varios plás­ti­cos y polímeros que se emplean cada vez más en la industria moderna.

En la actualidad, la mayoría de las imágenes publicadas son típicamente un bloque de material sólido con agujeros de diferente tamaño para demostrar la resolución de la técnica.

Por ejemplo, el uso de la RM para observar el combustible sólido de un cohete antes de la combustión. El empaquetado del combustible sólido tiene un gran im­pac­to sobre las propiedades de la combustión. Las técnicas de análisis con­ven­cio­nal distorsionan o impiden que la muestra pueda ser utilizada en un ex­pe­ri­men­to de ignición. Empleando la imagen por RM de estado sólido es posible obtener imágenes de la muestra antes de la prueba de ignición y por lo tanto correlacionar directamente el efecto del empaquetado con las propiedades de combustión.