ЯМР поля Земли - Википедия - Earths field NMR

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в геомагнитное поле условно именуется ЯМР поля Земли (EFNMR). EFNMR - частный случай ЯМР низкого поля.

Когда образец помещают в постоянное магнитное поле и стимулируют (возмущают) изменяющимся во времени (например, импульсным или переменным) магнитным полем, активные ядра ЯМР резонируют на характерных частотах. Примерами таких ЯМР-активных ядер являются изотопы углерод-13 и водород-1 (который в ЯМР обычно известен как протонный ЯМР ). Резонансная частота каждого изотопа прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля, а магнитологическое или гиромагнитное отношение этого изотопа. Сила сигнала пропорциональна как стимулирующему магнитному полю, так и количеству ядер этого изотопа в образце. Таким образом, в 21 тесла магнитное поле, которое можно найти в лаборатории с высоким разрешением ЯМР-спектрометры, протоны резонируют на частоте 900 МГц. Однако в магнитном поле Земли те же ядра резонируют на звуковых частотах около 2 кГц и генерируют очень слабые сигналы.

Расположение ядра в сложной молекуле влияет на «химическую среду» (т. Е. На вращающиеся магнитные поля, создаваемые другими ядрами), с которыми сталкивается ядро. Таким образом разные углеводород молекулы, содержащие ЯМР-активные ядра в разных положениях внутри молекул, создают несколько разные модели резонансных частот.

На сигналы EFNMR могут влиять как лабораторные условия с магнитным шумом, так и естественные вариации поля Земли, что изначально поставило под угрозу его полезность. Однако этот недостаток был преодолен за счет внедрения электронного оборудования, которое компенсирует изменения в окружающих магнитных полях.

В то время как химические сдвиги важны в ЯМР, в поле Земли они незначительны. Отсутствие химических сдвигов вызывает наложение таких функций, как спин-спиновые мультиплеты (которые разделены высокими полями) в EFNMR. Вместо этого в спектрах EFNMR преобладает спин-спиновая связь (J-муфта ) последствия. Программное обеспечение, оптимизированное для анализа этих спектров, может предоставить полезную информацию о структуре молекул в образце.

Приложения

Приложения EFNMR включают:

Магнитометры прецессии протонов (PPM) или протонные магнитометры, которые создают магнитный резонанс в известном образце в измеряемом магнитном поле, измеряют резонансную частоту образца, затем вычисляют и отображают напряженность поля.
Спектрометры EFNMR, в которых используется принцип ЯМР-спектроскопия для анализа молекулярных структур в различных приложениях, от исследования структуры кристаллов льда в полярных ледяных полях до горных пород и углеводородов на месте.
Поле земли МРТ сканеры, использующие принцип магнитно-резонансная томография.

Преимущества полевых приборов Земли перед обычными приборами (с высокой напряженностью поля) включают портативность оборудования, дающего 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 гораздо большие выборки. Их относительно низкая стоимость и простота делают их хорошими учебными пособиями.

Хотя эти коммерческие спектрометры EFNMR и инструменты МРТ, предназначенные для университетов и т. Д., Обязательно сложны и слишком дороги для большинства любителей, поисковые системы в Интернете находят данные и проекты для базовых магнитометров прецессии протона, которые, как утверждается, находятся в пределах возможностей достаточно компетентных любителей электроники или студентов. Студенты строят из легкодоступных компонентов стоимостью не более нескольких десятков долларов США.

Режим работы

Затухание свободной индукции (FID) - это магнитный резонанс, обусловленный Ларморова прецессия который возникает в результате стимуляции ядер посредством либо импульсное магнитное поле постоянного тока или импульсное магнитное поле резонансной частоты (рф), в некоторой степени аналогичны эффектам щипания или поклона струнного инструмента. В то время как импульсное высокочастотное поле является обычным для обычных (сильнопольных) ЯМР-спектрометров, метод импульсного поляризационного поля постоянного тока для стимулирования FID является обычным для EFNMR-спектрометров и PPM.

Оборудование EFNMR обычно включает в себя несколько катушек для стимуляции образцов и для измерения результирующих сигналов ЯМР. Уровни сигнала очень низкие, и специализированные электронные усилители требуются для усиления сигналов EFNMR до приемлемых уровней. Чем сильнее поляризующее магнитное поле, тем сильнее сигналы EFNMR и тем лучше отношения сигнал / шум. Основные компромиссы - производительность против портативности и стоимости.

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

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

Электронно-опосредованный гетероядерный J-муфты (спин-спиновые муфты ) не зависят от поля, создавая кластеры из двух или более частот, разделенных несколькими Гц, которые легче наблюдать при основном резонансе около 2 кГц. «Действительно, кажется, что повышенное разрешение возможно благодаря длительному времени спиновой релаксации и высокой однородности поля, которые преобладают в EFNMR».^[1]
Химические сдвиги нескольких частей на миллион (ppm) четко разделены в спектрах ЯМР с высоким полем, но имеют разделение всего в несколько миллигерц на частотах EFNMR протонов и поэтому не обнаруживаются в эксперименте, который проводится в масштабе времени в десятые доли секунды.

Для получения более подробной информации и объяснения принципов ЯМР, пожалуйста, обратитесь к основным статьям на ЯМР и ЯМР-спектроскопия. Подробнее см. протонный ЯМР и углерод-13 ЯМР.

Частоты протонного EFNMR

Напряженность геомагнитного поля и, следовательно, частота прецессии зависит от места и времени.

Частота ларморовской прецессии = магнитогирическое соотношение x магнитное поле

Протонное магнетогирическое соотношение = 42,576 Гц / мкТл (также записывается 42,576 МГц / Т или 0,042576 Гц / нТл)

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

Таким образом протон (ядро водорода) Частоты EFNMR равны звуковые частоты от около 1,3 кГц около экватора до 2,5 кГц около полюсов, около 2 кГц типично для средних широт. Что касается электромагнитный спектр Частоты EFNMR находятся в VLF и УНЧ радиочастота группы, и аудио-магнитотеллурический (AMT) частоты геофизика.

Примеры молекул, содержащих ядра водорода, которые могут быть использованы в протонном EFNMR: воды, углеводороды Такие как натуральный газ и нефть, и углеводы такие как происходит в растения и животные.

Смотрите также

внешняя ссылка

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

[1]