La resonancia magnética nuclear (RMN) en el campo geomagnético se conoce convencionalmente como RMN del campo terrestre (RMNFE) . La RMNFE 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 (por ejemplo, pulsado o alterno), los núcleos activos de RMN resuenan a frecuencias características. Ejemplos de dichos núcleos activos de 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. Por lo tanto, 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 rotatorios generados por los otros núcleos) que experimenta el núcleo. Por lo tanto, diferentes moléculas de hidrocarburos que contienen núcleos activos de RMN en diferentes posiciones dentro de las moléculas producen patrones ligeramente diferentes de frecuencias de resonancia.
Las señales de EFNMR pueden verse afectadas por entornos de laboratorio con ruido magnético y por variaciones naturales en el campo magnético terrestre, lo que originalmente comprometía su utilidad. Sin embargo, esta desventaja se ha superado con la introducción de equipos electrónicos que compensan los cambios en los campos magnéticos ambientales.
Si bien los desplazamientos químicos son importantes en la RMN, son insignificantes en el campo de la Tierra. La ausencia de desplazamientos químicos hace que en la RMN de espectroscopia de emisión y resonancia magnética nuclear (EFNMR) se superpongan características como los multipletes de espín-espín (separados por campos altos). En cambio, los espectros de 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 en la muestra.
Las aplicaciones de EFNMR incluyen:
Las ventajas de los instrumentos de campo terrestre frente a los instrumentos convencionales (de alta intensidad de campo) incluyen la portabilidad del equipo, que permite analizar sustancias in situ, y su menor coste. La intensidad mucho menor del campo geomagnético, que de otro modo daría lugar a una mala relación señal/ruido, se compensa con la homogeneidad del campo terrestre, que permite utilizar muestras mucho más grandes. Su coste relativamente bajo y su simplicidad los convierten en buenas herramientas educativas.
Aunque esos espectrómetros EFNMR comerciales y los instrumentos de resonancia magnética destinados a universidades, etc. son necesariamente sofisticados y demasiado costosos para la mayoría de los aficionados, los motores de búsqueda en Internet encuentran datos y diseños de magnetómetros de precesión de protones básicos que, según se afirma, están dentro de la capacidad de los aficionados a la electrónica razonablemente competentes o de los estudiantes universitarios para construirlos a partir de componentes fácilmente disponibles que no cuestan 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 por medio de un campo magnético de corriente continua pulsada o un campo magnético de frecuencia resonante pulsada (rf) , algo análogo respectivamente a los efectos de tocar con el arco o puntear un instrumento de cuerda. Mientras que un campo de radiofrecuencia pulsada es habitual en los espectrómetros de RMN convencionales (de campo alto), el método de campo polarizador de corriente continua pulsada para estimular la FID es habitual en los espectrómetros de RMN de emisión y emisión de partículas y los PPM.
Los equipos de resonancia magnética nuclear de emisión directa 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 de resonancia magnética nuclear de emisión directa a niveles utilizables. Cuanto más fuerte sea el campo magnético polarizador, más fuertes serán las señales de resonancia magnética nuclear de emisión directa y mejores serán las relaciones señal/ruido . Las principales desventajas son el rendimiento frente a la portabilidad y el costo.
Dado que las frecuencias de resonancia FID de los núcleos activos de RMN son directamente proporcionales al campo magnético que afecta a esos núcleos, podemos utilizar datos de espectroscopia de RMN ampliamente disponibles para analizar sustancias adecuadas en el campo magnético de la Tierra .
Una característica importante de la RMN de campo electroforético en comparación con la RMN de campo alto es que algunos aspectos de la estructura molecular se pueden observar con mayor claridad en campos bajos y frecuencias bajas, mientras que otras características observables en campos altos pueden no ser observables en campos bajos. Esto se debe a que:
Para obtener más contexto y una explicación de los principios de RMN, consulte los artículos principales sobre RMN y espectroscopia de RMN . Para obtener más detalles, consulte RMN de protón y RMN de carbono-13 .
La intensidad del campo geomagnético y, por tanto, la frecuencia de precesión, varían según 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 típico de latitudes medias. En términos del espectro electromagnético, las frecuencias EFNMR se encuentran en las bandas de radiofrecuencia VLF y ULF , y las frecuencias audiomagnetotelúricas (AMT) de la geofísica .
Ejemplos de moléculas que contienen núcleos de hidrógeno útiles en la 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 .