地球磁場NMR
 |
地磁気における核磁気共鳴（NMR）は、慣例的に地球磁場NMR（EFNMR）と呼ばれます。EFNMRは低磁場NMRの特殊なケースです。
試料を一定磁場中に置き、時間変動磁場（例えばパルス磁場または交流磁場）によって刺激（摂動）すると、NMR活性核は特性周波数で共鳴する。このようなNMR活性核の例としては、炭素13同位体 と水素1同位体（NMRでは一般的に陽子NMRと呼ばれる）が挙げられる。各同位体の共鳴周波数は、印加磁場の強度と、その同位体の磁気回転比または磁気回転比に正比例する。信号強度は、刺激磁場と試料中のその同位体の核の数に比例する。したがって、高解像度の実験室NMR分光計で見られる21 テスラの磁場では、陽子は900MHz。しかし、地球の磁場では、同じ核が約900MHzの可聴周波数で共鳴する。2 kHzで微弱な信号を生成します。
複合分子内の核の位置は、その核が受ける「化学環境」（つまり、他の核によって生成される回転磁場）に影響を与えます。したがって、分子内の異なる位置にNMR活性核を含む炭化水素分子は、共鳴周波数のパターンがわずかに異なります。
EFNMR信号は、磁気ノイズの多い実験室環境や地球磁場の自然変動の影響を受ける可能性があり、当初はその有用性が損なわれていました。しかし、周囲の磁場の変化を補正する電子機器の導入により、この欠点は克服されました。
NMRでは化学シフトが重要ですが、地球磁場では無視できます。化学シフトが存在しないため、EFNMRではスピン-スピン多重線（高磁場によって分離）などの特徴が重畳されます。EFNMRスペクトルは、スピン-スピン結合（J結合）効果によって支配されます。これらのスペクトルを解析するために最適化されたソフトウェアは、試料中の分子の構造に関する有用な情報を提供します。
アプリケーション
EFNMR の用途は次のとおりです。
- プロトン歳差磁力計 (PPM) またはプロトン磁力計は、測定対象の磁場内で既知のサンプルに磁気共鳴を生成し、サンプルの共鳴周波数を測定し、磁場の強度を計算して表示します。
- EFNMR 分光計は、 NMR 分光法の原理を使用して、極地の氷原の氷結晶の構造の調査から、現場での岩石や炭化水素まで、さまざまな用途で分子構造を分析します。
- 磁気共鳴画像の原理を利用した地球磁場MRIスキャナー。
地磁気測定機器は、従来の（高磁場強度の）機器に比べて、可搬性に優れているため現場で物質を分析でき、また価格も手頃です。地磁気強度がはるかに低いため、信号対雑音比は低くなりますが、地磁気の均一性によって補われ、より大きなサンプルを使用することができます。比較的安価でシンプルなため、教育用ツールとして最適です。
大学向けの市販のEFNMR分光計やMRI機器は、ほとんどの愛好家にとって高価すぎる（2025年3月時点で、シンプルな機器1台が9,400ドル）ものの、[ 1 ]インターネット検索エンジンでは、基本的な陽子歳差磁力計のデータと設計図を見つけることができ、これらは、数十ドル以下の入手可能な部品を使って、ある程度の知識を持つ電子工作愛好家や学部生が製作できる範囲にあるとされている。2つのオープンソース設計が公開されており、PCBレイアウトとmegaAVRマイクロコントローラ用のファームウェアが用意されているほか、査読付きジャーナルにも回路レイアウトと設計図が掲載されている。[ 2 ] [ 3 ]
光地球磁場分光計も説明されている。[ 4 ]
動作モード
自由誘導減衰（FID）は、パルス直流磁場またはパルス共鳴周波数（RF）磁場によって原子核が刺激されることによって生じるラーモア歳差運動による磁気共鳴であり、それぞれ弦楽器の撥弦効果または弓奏効果に類似しています。パルスRF磁場は従来の（高磁場）NMR分光計で一般的に使用されますが、EFNMR分光計およびPPMでは、パルス直流分極磁場を用いてFIDを刺激する方法が一般的です。
EFNMR装置は通常、サンプルを励起し、その結果生じるNMR信号を検知するための複数のコイルを内蔵しています。信号レベルは非常に低いため、EFNMR信号を使用可能なレベルまで増幅するには専用の電子増幅器が必要です。分極磁場が強いほど、EFNMR信号は強くなり、信号対雑音比は向上します。主なトレードオフは、性能と携帯性、そしてコストです。
NMR 活性核の FID 共鳴周波数はそれらの核に影響を与える磁場に正比例するため、広く利用可能な NMR 分光データを使用して、地球の磁場内の適切な物質を分析できます。
高磁場NMRと比較したEFNMRの重要な特徴は、分子構造のある側面は低磁場・低周波数でより明確に観察できるのに対し、高磁場で観察できる他の特徴は低磁場では観察できない可能性があることです。これは以下の理由によります。
- 電子媒介異核J結合（スピン-スピン結合）は磁場に依存せず、数Hz離れた2つ以上の周波数のクラスターを生成する。これは約Hzの基本共鳴でより容易に観測される。2 kHz。「確かに、EFNMRに見られる長いスピン緩和時間と高い磁場均一性により、分解能の向上が可能になるようです。」[ 5 ]
- 高磁場 NMR スペクトルでは、数 ppm の化学シフトが明確に分離されていますが、プロトン EFNMR 周波数では数ミリヘルツしか分離されていないため、10 分の 1 秒のタイムスケールで行われる実験では検出できません。
NMRの原理に関するより詳しい説明や背景については、 NMRおよびNMR分光法に関する主要記事を参照してください。さらに詳しい情報については、プロトンNMRおよび炭素13NMRを参照してください。
プロトンEFNMR周波数
地磁気の強さ、したがって歳差運動の周波数は、場所と時間によって異なります。
- ラーモア歳差運動周波数 = 磁気回転比x 磁場
- 陽子磁気回転比= 42.576 Hz/μT（42.576 MHz/Tまたは0.042 576 Hz/nT )
- 地球の磁場: 赤道付近では30μTから極付近では60μT 、中緯度では50μT 。
したがって、陽子（水素原子核）のEFNMR周波数は、約赤道付近では1.3kHzから極付近では2.5kHz 、中緯度地域では2kHzが典型的です。電磁スペクトルの観点から見ると、 EFNMR周波数はVLFおよびULF無線周波数帯、そして地球物理学におけるオーディオ・マグネトテルリック（AMT）周波数帯に含まれます。
陽子 EFNMR に有用な水素核を含む分子の例としては、水、天然ガスや石油などの炭化水素、植物や動物に含まれる炭水化物などがあります。
参照
参考文献
- ^ 「機器の価格」 TeachSpin.com 、 TeachSpin 。 2025年9月9日閲覧。
地球磁場NMR（勾配磁場コイル付き） - 9,400ドル
- ^ Worley, Bradley (2025年9月8日). 「オープンソースの地球磁場NMR分光計」 .
- ^モホリッチ、アレシュ;プラニンシッチ、ゴラズド。コス、ミハ。当然です、アンドレイ。ステピシュニク、ヤネス（2004 年 12 月 27 日）。 「地球磁場に基づく磁気共鳴画像システム」。計測科学と技術。32 (6): 655–667。土井: 10.1081/CI-200037034。
- ^ Ganssle, Paul J.; Shin, Hyun D.; Seltzer, Scott J.; Bajaj, Vikram S.; Ledbetter, Micah P.; Budker, Dmitry; Knappe, Svenja; Kitching, John; Pines, Alexander (2014年9月8日). 「光磁力計を用いた超低磁場NMR緩和および拡散測定 (Angew. Chem. Int. Ed. 37/2014)」. Angewandte Chemie International Edition . 53 (37): 9677– 9677. doi : 10.1002/anie.201406156 .
- ^ Robinson JN; et al. (2006). 「地球磁場における2次元NMR分光法」（PDF） . Journal of Magnetic Resonance . 182 (2): 343– 347. Bibcode : 2006JMagR.182..343R . doi : 10.1016/j.jmr.2006.06.027 . PMID 16860581 .
外部リンク
