ЯМР поля Земли

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в геомагнитном поле условно называют ЯМР поля Земли (EFNMR) . ЭФЯМР представляет собой частный случай ЯМР в слабом поле .

Когда образец помещается в постоянное магнитное поле и стимулируется (возмущается) изменяющимся во времени (например, импульсным или переменным) магнитным полем, активные ядра ЯМР резонируют на характерных частотах. Примерами таких ЯМР-активных ядер являются изотопы углерода-13 и водорода-1 (который в ЯМР обычно известен как протонный ЯМР ). Резонансная частота каждого изотопа прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля и магнитогирическому или гиромагнитному отношению этого изотопа. Сила сигнала пропорциональна стимулирующему магнитному полю и количеству ядер этого изотопа в образце. Таким образом, в магнитном поле силой 21 Тесла , которое можно обнаружить в лабораторных ЯМР-спектрометрах высокого разрешения , протоны резонируют на частоте 900 МГц. Однако в магнитном поле Земли те же ядра резонируют на звуковых частотах около 2 кГц и генерируют слабые сигналы.

Расположение ядра внутри сложной молекулы влияет на «химическую среду» (т.е. на вращающиеся магнитные поля, генерируемые другими ядрами), в которой находится ядро. Таким образом, разные молекулы углеводородов , содержащие ЯМР-активные ядра в разных положениях внутри молекул, создают несколько разные картины резонансных частот.

На сигналы EFNMR могут влиять магнитно-зашумленные лабораторные условия и естественные изменения поля Земли, которые изначально ставили под угрозу его полезность. Однако этот недостаток был преодолен за счет внедрения электронного оборудования, компенсирующего изменения окружающих магнитных полей.

Хотя химические сдвиги важны для ЯМР, они незначительны в поле Земли. Отсутствие химических сдвигов приводит к наложению в EFNMR таких особенностей, как спин-спиновые мультиплеты (разделенные сильными полями). Вместо этого в спектрах EFNMR преобладают эффекты спин-спинового взаимодействия ( J-связи ). Программное обеспечение, оптимизированное для анализа этих спектров, может предоставить полезную информацию о структуре молекул в образце.

Приложения

Приложения EFNMR включают:

Магнитометры протонной прецессии (PPM) или протонные магнитометры , которые создают магнитный резонанс в известном образце в измеряемом магнитном поле, измеряют резонансную частоту образца, затем рассчитывают и отображают напряженность поля.
Спектрометры EFNMR, которые используют принцип ЯМР-спектроскопии для анализа молекулярных структур в различных приложениях, от исследования структуры кристаллов льда в полярных ледяных полях до горных пород и углеводородов на месте.
поля Земли Сканеры МРТ , использующие принцип магнитно-резонансной томографии .

Преимущества полевых приборов Земли перед обычными приборами (с высокой напряженностью поля) включают портативность оборудования, дающую возможность анализировать вещества на месте, и их более низкую стоимость. Гораздо более низкая напряженность геомагнитного поля, которая в противном случае привела бы к плохому соотношению сигнал/шум, компенсируется однородностью поля Земли, что дает возможность использовать образцы гораздо большего размера. Их относительно низкая стоимость и простота делают их хорошими образовательными инструментами.

Хотя эти коммерческие спектрометры EFNMR и приборы МРТ, предназначенные для университетов и т. д., обязательно сложны и слишком дороги для большинства любителей, поисковые системы в Интернете находят данные и конструкции для основных магнитометров протонной прецессии, которые утверждают, что находятся в пределах возможностей достаточно компетентных любителей электроники или студентов студентов собирать из легкодоступных компонентов стоимостью не более нескольких десятков долларов США.

Режим работы

Затухание свободной индукции (FID) - это магнитный резонанс из-за ларморовской прецессии , который возникает в результате стимуляции ядер с помощью либо импульсного постоянного магнитного поля , либо импульсного магнитного поля резонансной частоты (RF) , что в некоторой степени аналогично эффектам выщипывания или игра на струнном инструменте. В то время как импульсное радиочастотное поле обычно используется в обычных (сильнопольных) ЯМР-спектрометрах, метод стимуляции ПИД импульсным постоянным полем обычно используется в EFNMR-спектрометрах и PPM.

Оборудование EFNMR обычно включает в себя несколько катушек для стимуляции образцов и регистрации результирующих сигналов ЯМР. Уровни сигналов очень низкие, и специализированные электронные усилители для усиления сигналов EFNMR до приемлемых уровней требуются . Чем сильнее поляризующее магнитное поле, тем сильнее сигналы EFNMR и тем лучше соотношение сигнал/шум . Основными компромиссами являются производительность, портативность и стоимость.

Поскольку резонансные частоты ПИД активных ядер ЯМР прямо пропорциональны магнитному полю, воздействующему на эти ядра, мы можем использовать широко доступные данные ЯМР-спектроскопии для анализа подходящих веществ в магнитном поле Земли .

Важной особенностью EFNMR по сравнению с ЯМР в сильном поле является то, что некоторые аспекты молекулярной структуры можно наблюдать более четко в низких полях и низких частотах, тогда как другие особенности, наблюдаемые в сильных полях, могут не наблюдаться в низких полях. Это потому, что:

Электронно-опосредованные гетероядерные J-связи ( спин-спиновые связи ) не зависят от поля и создают кластеры из двух или более частот, разделенных несколькими Гц, которые легче наблюдать в фундаментальном резонансе около 2 кГц. «Действительно, оказывается, что улучшенное разрешение возможно благодаря длительному времени спиновой релаксации и высокой однородности поля, которые преобладают в EFNMR». ^{[ 1 ]}
Химические сдвиги в несколько частей на миллион (м.д.) четко различаются в спектрах ЯМР в сильном поле, но имеют разделение всего в несколько миллигерц на частотах протонного EF-ЯМР и поэтому не обнаруживаются в эксперименте, который проводится во временном масштабе в десятые доли секунды. .

Для получения дополнительной информации и объяснений принципов ЯМР обратитесь к основным статьям по ЯМР и ЯМР-спектроскопии . Более подробную информацию см. в ЯМР протонов и ЯМР углерода-13 .

Частоты протонов EFNMR

Напряженность геомагнитного поля и, следовательно, частота прецессии меняются в зависимости от местоположения и времени.

Частота ларморовой прецессии = магнитогирическое отношение x магнитное поле

Магнитогирическое отношение протона = 42,576 Гц/мкТл (также пишется 42,576 МГц/Тл или 0,042576 Гц/нТл)

Магнитное поле Земли: от 30 мкТл возле экватора до 60 мкТл возле полюсов, около 50 мкТл в средних широтах.

Таким образом, частоты EFNMR протонов (ядер водорода) представляют собой звуковые частоты от примерно 1,3 кГц вблизи экватора до 2,5 кГц вблизи полюсов, причем около 2 кГц типичны для средних широт. С точки зрения электромагнитного спектра частоты ЭФЯМР находятся в ОНЧ и УНЧ диапазонах радиочастот , а также аудиомагнитотеллурических (АМТ) частотах геофизики .

Примерами молекул, содержащих ядра водорода, полезных для протонного EFNMR, являются вода , углеводороды, такие как природный газ и нефть , и углеводы , такие как растения и животные .

См. также

Ссылки

^ Робинсон Дж.Н.; и др. (2006). «Двумерная ЯМР-спектроскопия в магнитном поле Земли» (PDF) . Журнал магнитного резонанса . 182 (2): 343–347. Бибкод : 2006JMagR.182..343R . дои : 10.1016/j.jmr.2006.06.027 . ПМИД 16860581 .

Внешние ссылки

[Robinson-1] Робинсон Дж.Н.; и др. (2006). «Двумерная ЯМР-спектроскопия в магнитном поле Земли» (PDF) . Журнал магнитного резонанса . 182 (2): 343–347. Бибкод : 2006JMagR.182..343R . дои : 10.1016/j.jmr.2006.06.027 . ПМИД 16860581 .

[ 1 ]