Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в геомагнитном поле принято называть ЯМР поля Земли (EFNMR) . EFNMR - это частный случай ЯМР слабого 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 (которые в ЯМР обычно известны как протонный ЯМР ). Резонансная частота каждого изотопа прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля и магнитному или гиромагнитному соотношению этого изотопа. Сила сигнала пропорциональна как стимулирующему магнитному полю, так и количеству ядер этого изотопа в образце. Таким образом, в 21 теслаВ магнитном поле, 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 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 углеводородные 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 колебания поля Земли, что изначально поставило под угрозу его полезность. Однако этот недостаток удалось преодолеть за счет внедрения электронного оборудования, которое компенсирует изменения в окружающих магнитных полях.
В то время как химические сдвиги важны для ЯМР, они незначительны в поле Земли. Отсутствие химических сдвигов приводит к наложению таких функций, как спин-спиновые мультиплеты (которые разделены высокими полями) в EFNMR. Вместо этого в спектрах EFNMR преобладают эффекты спин-спиновой связи ( J-связи ). 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, которые используют принцип ЯМР-спектроскопии для анализа молекулярных структур в различных областях, от исследования структуры кристаллов льда в полярных ледяных полях до горных пород и углеводородов на месте.
- МРТ- сканеры поля Земли , в которых используется принцип магнитно-резонансной томографии .
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
Спад свободной индукции (FID) магнитный резонанс в связи с ларморовской прецессии , что является результатом стимуляции ядер с помощью либо магнитного поля в импульсном режиме постоянного тока или импульсной резонансной частоты (РЧ) магнитного поля , то аналогичной соответственно к воздействию выщипывания или Поклонение 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 сигналов очень низкие, и для усиления сигналов EFNMR до приемлемых уровней требуются специальные электронные усилители . Чем сильнее поляризующее магнитное поле, тем сильнее сигналы EFNMR и тем лучше отношение сигнал / шум . Основные компромиссы - производительность, портативность и стоимость.
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 магнитном 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-опосредованные гетероядерные J-связи ( спин-спиновые связи ) не зависят от поля, создавая кластеры из двух или более частот, разделенных несколькими Гц, которые легче наблюдать в 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 в несколько частей на миллион (ppm) четко разделены в спектрах ЯМР высокого поля, 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 по ЯМР и ЯМР спектроскопии . Для более подробной информации 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 = магнитологическое отношение x магнитное поле
- Протонное магнетогирическое отношение = 42,576 Гц / мкТл (также записывается 42,576 МГц / Тл 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, частоты EFNMR протона (ядра водорода) представляют собой звуковые частоты от 1,3 кГц около экватора до 2,5 кГц около полюсов, около 2 кГц типично для средних широт. С точки зрения электромагнитного спектра частот EFNMR находятся в ОНЧ и УНЧ радиочастотных полос, и аудио-магнитотеллурическое (АМТ) частот геофизике .
Примерами молекул, содержащих ядра водорода, используемых в протонной EFNMR, являются вода , углеводороды, такие как природный газ и нефть , и углеводы , которые встречаются в растениях и животных .
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Робинсон JN; и другие. (2006). «Двумерная спектроскопия ЯМР в магнитном поле Земли» (PDF) . Журнал магнитного резонанса . 182 (2): 343–347. Bibcode : 2006JMagR.182..343R . DOI : 10.1016 / j.jmr.2006.06.027 . PMID 16860581 .
Внешние ссылки
- Веб-сайт TeachSpin EFNMR
- Веб-сайт Магритек EFNMR
- Двумерная визуализация EFNMR
- Практический курс ЯМР / МРТ земного поля, SS 24 октября 2009 г. Физический факультет Оксфордского университета
- ЯМР с использованием магнитного поля Земли
- Спектрометр ЯМР поля Земли с открытым исходным кодом
- Система магнитно-резонансной томографии на основе магнитного поля Земли
- Применение ЯМР поля Земли для пористых систем и полимерных гелей