La resonancia magnética nuclear (RMN) en el campo geomagnético se denomina convencionalmente RMN del campo terrestre (EFNMR) . EFNMR es un caso especial de RMN de campo bajo .
Cuando una muestra se coloca en un campo magnético constante y se estimula (perturba) mediante un campo magnético variable en el tiempo (p. ej., pulsado o alterno), los núcleos activos de RMN resuenan a frecuencias características. Ejemplos de tales núcleos activos en RMN son los isótopos carbono-13 e hidrógeno-1 (que en RMN se conoce convencionalmente como RMN de protones ). La frecuencia de resonancia de cada isótopo es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético aplicado y a la relación magnetogírica o giromagnética de ese isótopo. La intensidad de la señal es proporcional al campo magnético estimulante y al número de núcleos de ese isótopo en la muestra. Así, en el campo magnético de 21 teslas que se puede encontrar en los espectrómetros de RMN de laboratorio de alta resolución , los protones resuenan a 900 MHz. Sin embargo, en el campo magnético de la Tierra, los mismos núcleos resuenan a frecuencias de audio de alrededor de 2 kHz y generan señales débiles.
La ubicación de un núcleo dentro de una molécula compleja afecta el "entorno químico" (es decir, los campos magnéticos giratorios generados por los otros núcleos) que experimenta el núcleo. Por lo tanto, diferentes moléculas de hidrocarburos que contienen núcleos activos en RMN en diferentes posiciones dentro de las moléculas producen patrones de frecuencias de resonancia ligeramente diferentes.
Las señales EFNMR pueden verse afectadas por entornos de laboratorio magnéticamente ruidosos y variaciones naturales en el campo de la Tierra, que originalmente comprometían su utilidad. Sin embargo, esta desventaja se ha superado mediante la introducción de equipos electrónicos que compensan los cambios en los campos magnéticos ambientales.
Mientras que los cambios químicos son importantes en la RMN, son insignificantes en el campo terrestre. La ausencia de cambios químicos hace que características como los multipletes de espín-espín (separados por campos altos) se superpongan en EFNMR. En cambio, los espectros EFNMR están dominados por efectos de acoplamiento espín-espín ( acoplamiento J ). El software optimizado para analizar estos espectros puede proporcionar información útil sobre la estructura de las moléculas de la muestra.
Las aplicaciones de EFNMR incluyen:
Las ventajas de los instrumentos de campo terrestres sobre los instrumentos convencionales (de alta intensidad de campo) incluyen la portabilidad del equipo, que permite analizar sustancias in situ, y su menor costo. La intensidad del campo geomagnético mucho menor, que de otro modo daría como resultado una mala relación señal-ruido, se compensa con la homogeneidad del campo terrestre, lo que permite utilizar muestras mucho más grandes. Su costo relativamente bajo y su simplicidad los convierten en buenas herramientas educativas.
Aunque los espectrómetros EFNMR e instrumentos de resonancia magnética comerciales destinados a universidades, etc. son necesariamente sofisticados y demasiado costosos para la mayoría de los aficionados, los motores de búsqueda de Internet encuentran datos y diseños para magnetómetros básicos de precesión de protones que afirman estar dentro de la capacidad de estudiantes universitarios o aficionados a la electrónica razonablemente competentes. que los estudiantes construyan a partir de componentes fácilmente disponibles que no cuesten más que unas pocas decenas de dólares estadounidenses.
La desintegración por inducción libre (FID) es la resonancia magnética debida a la precesión de Larmor que resulta de la estimulación de los núcleos mediante un campo magnético de CC pulsado o un campo magnético de frecuencia resonante pulsada (rf) , algo análogo, respectivamente, a los efectos del punteo o inclinar un instrumento de cuerda. Mientras que un campo de RF pulsado es habitual en los espectrómetros de RMN convencionales (campo alto), el método del campo polarizador de CC pulsado para estimular la FID es habitual en los espectrómetros EFNMR y PPM.
Los equipos EFNMR suelen incorporar varias bobinas para estimular las muestras y detectar las señales de RMN resultantes. Los niveles de señal son muy bajos y se requieren amplificadores electrónicos especializados para amplificar las señales EFNMR a niveles utilizables. Cuanto más fuerte sea el campo magnético polarizador, más fuertes serán las señales EFNMR y mejores serán las relaciones señal-ruido . Las principales compensaciones son el rendimiento versus la portabilidad y el costo.
Dado que las frecuencias resonantes FID de los núcleos activos de RMN son directamente proporcionales al campo magnético que afecta a esos núcleos, podemos utilizar datos de espectroscopía de RMN ampliamente disponibles para analizar sustancias adecuadas en el campo magnético de la Tierra .
Una característica importante de la EFNMR en comparación con la RMN de campo alto es que algunos aspectos de la estructura molecular se pueden observar más claramente en campos bajos y frecuencias bajas, mientras que otras características observables en campos altos pueden no ser observables en campos bajos. Esto es porque:
Para obtener más contexto y explicación de los principios de RMN, consulte los artículos principales sobre RMN y espectroscopia de RMN . Para obtener más detalles, consulte RMN de protones y RMN de carbono-13 .
La intensidad del campo geomagnético y, por tanto, la frecuencia de precesión varía con la ubicación y el tiempo.
Por lo tanto, las frecuencias EFNMR de protones (núcleo de hidrógeno) son frecuencias de audio de aproximadamente 1,3 kHz cerca del ecuador a 2,5 kHz cerca de los polos, siendo alrededor de 2 kHz típicos de latitudes medias. En términos del espectro electromagnético, las frecuencias EFNMR se encuentran en las bandas de radiofrecuencia VLF y ULF , y las frecuencias audio-magnetotelúricas (AMT) de la geofísica .
Ejemplos de moléculas que contienen núcleos de hidrógeno útiles en EFNMR de protones son el agua , los hidrocarburos como el gas natural y el petróleo y los carbohidratos como los que se encuentran en plantas y animales .