Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в геомагнитном поле обычно называют ЯМР поля Земли (ЯМРЗ) . ЯМРЗ является частным случаем ЯМР слабого поля .
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 активных ядер ЯМР являются изотопы углерода-13 и водорода-1 (который в ЯМР традиционно 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 21 Тесла , которое можно обнаружить в лабораторных ЯМР-спектрометрах высокого разрешения , протоны резонируют на частоте 900 МГц. Однако в магнитном поле Земли эти же ядра резонируют на звуковых частотах около 2 кГц и генерируют слабые сигналы.
Расположение ядра внутри сложной молекулы влияет на «химическую среду» (т. е. вращающиеся магнитные поля, генерируемые другими ядрами), испытываемую ядром. Таким образом, различные углеводородные молекулы, содержащие ЯМР-активные ядра в различных положениях внутри молекул, производят немного разные образцы резонансных частот.
На сигналы EFNMR могут влиять магнитно-шумные лабораторные среды и естественные изменения в поле Земли, что изначально ставило под угрозу его полезность. Однако этот недостаток был преодолен благодаря внедрению электронного оборудования, компенсирующего изменения в окружающих магнитных полях.
В то время как химические сдвиги важны в ЯМР, они незначительны в поле Земли. Отсутствие химических сдвигов приводит к тому, что в EFNMR накладываются такие особенности, как спин-спиновые мультиплеты (разделенные сильными полями). Вместо этого в спектрах EFNMR доминируют эффекты спин-спиновой связи ( J-связи ). Программное обеспечение, оптимизированное для анализа этих спектров, может предоставить полезную информацию о структуре молекул в образце.
Области применения EFNMR включают:
Преимущества приборов для измерения поля Земли по сравнению с 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 плохим отношениям сигнал/шум, компенсируется однородностью поля Земли, дающей возможность использовать гораздо более крупные образцы. Их относительно низкая стоимость и простота делают их хорошими образовательными инструментами.
Хотя коммерческие спектрометры ЯМР ЭФ и приборы МРТ, предназначенные для университетов и т. д., по определению сложны и слишком дороги для большинства любителей, поисковые системы в Интернете находят данные и конструкции базовых протонных прецессионных магнитометров, которые, как утверждается, могут быть построены достаточно компетентными любителями электроники или студентами старших курсов из легкодоступных компонентов стоимостью не более нескольких десятков долларов США.
Распад свободной индукции (FID) — это магнитный резонанс, вызванный прецессией Лармора , который возникает в результате стимуляции ядер либо импульсным постоянным магнитным полем , либо импульсным резонансным магнитным полем (РЧ) , что несколько аналогично эффектам щипка или игры смычком на струнном инструменте. В то время как импульсное РЧ-поле является обычным в обычных (сильнопольных) ЯМР-спектрометрах, метод импульсного постоянного поляризующего поля для стимуляции FID является обычным в спектрометрах EFNMR и PPM.
Оборудование EFNMR обычно включает несколько катушек для стимуляции образцов и для восприятия полученных сигналов ЯМР. Уровни сигналов очень низкие, и для усиления сигналов EFNMR до приемлемых уровней требуются специализированные электронные усилители . Чем сильнее поляризующее магнитное поле, тем сильнее сигналы EFNMR и лучше отношение сигнал/шум . Основные компромиссы — производительность против портативности и стоимости.
Поскольку резонансные частоты ССИ ядер ЯМР-активности прямо пропорциональны магнитному полю, воздействующему на эти ядра, мы можем использовать широко доступные данные спектроскопии ЯМР для анализа подходящих веществ в магнитном поле Земли .
Важной особенностью EFNMR по сравнению с высокопольным ЯМР является то, что некоторые аспекты молекулярной структуры можно наблюдать более четко в низких полях и на низких частотах, тогда как другие особенности, наблюдаемые в высоких полях, могут не наблюдаться в низких полях. Это происходит потому, что:
Для более подробного контекста и объяснения принципов ЯМР, пожалуйста, обратитесь к основным статьям по ЯМР и ЯМР-спектроскопии . Для более подробной информации см. ЯМР протона и ЯМР углерода-13 .
Напряженность геомагнитного поля и, следовательно, частота прецессии изменяются в зависимости от местоположения и времени.
Таким образом, частоты EFNMR протона (ядра водорода) представляют собой звуковые частоты около 1,3 кГц вблизи экватора и до 2,5 кГц вблизи полюсов, около 2 кГц типичны для средних широт. С точки зрения электромагнитного спектра частоты EFNMR находятся в диапазонах радиочастот VLF и ULF , а также в аудиомагнитотеллурических (AMT) частотах геофизики .
Примерами молекул, содержащих ядра водорода, которые можно использовать в протонном ЭЯМР, являются вода , углеводороды, такие как природный газ и нефть , а также углеводы , которые встречаются в растениях и животных .