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。

サンプルが一定の磁場内に置かれ、時間とともに変化する（例えば、パルス状または交流状の）磁場によって刺激（摂動）されると、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と水素1の同位体（NMRでは慣例的に 陽子NMRと呼ばれる）がある。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、刺激磁場とサンプル内のその同位体の核の数に比例する。したがって、高解像度の研究室用NMR分光計で見られる21テスラの磁場では、陽子は900MHzで共鳴する。しかし、地球の磁場では、同じ核が約2kHzの可聴周波数で共鳴し、微弱な信号を生成する。

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）に影響します。したがって、分子内の異なる位置に NMR 活性核を含む異なる炭化水素分子は、わずかに異なる共鳴周波数のパターンを生成します。

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。

化学シフトはNMR では重要ですが、地球磁場では重要ではありません。化学シフトが存在しないと、スピン-スピン多重線 (高磁場によって分離) などの特徴が EFNMR に重ね合わされます。代わりに、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分析するために最適化されたソフトウェアは、サンプル内の分子の構造に関する有用な情報を提供できます。

EFNMR の用途には以下が含まれます。

• 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。
• 磁気共鳴イメージングの原理を利用した地球磁場MRIスキャナー。

地磁気測定機器が従来の（高磁場強度）機器より優れている点は、機器の携帯性により、その場で物質を分析できることと、コストが低いことです。地磁気強度がはるかに低いと、信号対雑音比が悪くなりますが、地磁気の均一性により補われ、はるかに大きなサンプルを使用できます。比較的コストが低く、シンプルなため、教育用ツールとして最適です。

大学などを対象とした市販の EFNMR 分光計や MRI 機器は必然的に高度で、ほとんどの愛好家にとっては高価すぎるが、インターネットの検索エンジンでは、基本的な陽子歳差磁力計のデータと設計が見つかり、これらは、十分に有能な電子愛好家や学部生であれば、数十ドル以下の容易に入手できる部品から構築できると主張している。

自由誘導減衰(FID) は、パルス DC 磁場またはパルス共鳴周波数 (RF) 磁場のいずれかによる原子核の刺激から生じるラーモア歳差運動による磁気共鳴であり、それぞれ弦楽器をはじく、または弓で弾く効果に多少似ています。パルス RF 磁場は従来の (高磁場) NMR 分光計でよく使用されますが、パルス DC 分極磁場による FID 刺激法は EFNMR 分光計および PPM でよく使用されます。

EFNMR 装置には通常、サンプルを刺激し、その結果生じる NMR 信号を感知するための複数のコイルが組み込まれています。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 信号が強くなり、信号対雑音比が向上します。主なトレードオフは、パフォーマンスと携帯性およびコストのトレードオフです。

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することができます。

高磁場 NMR と比較した EFNMR の重要な特徴は、分子構造のいくつかの側面は低磁場と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。これは次の理由によります。

• 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します。これは、約 2 kHz の基本共鳴でより容易に観察されます。「実際、EFNMR で優勢な長いスピン緩和時間と高い磁場均一性により、解像度の向上が可能になるようです。」^[1]
• 数 ppm の化学シフトは高磁場 NMR スペクトルでは明確に分離されますが、プロトン EFNMR 周波数では数ミリヘルツしか分離されないため、10 分の 1 秒の時間スケールで行われる実験では検出できません。

NMR の原理のより詳しい背景と説明については、 NMRおよびNMR 分光法に関する主な記事を参照してください。詳細については、プロトン NMRおよび炭素 13 NMRを参照してください。

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 0.042576 Hz/nT とも表記)

地球の磁場: 赤道付近で 30 μT、極付近で 60 μT、中緯度で約 50 μT。

したがって、陽子（水素原子核）EFNMR周波数は、赤道付近で約1.3 kHz、両極付近で約2.5 kHzの可聴周波数であり、中緯度では約2 kHzが一般的です。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、および地球物理学のオーディオマグネトテルリック（AMT）周波数にあります。

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。

• 地球の磁場の変化率
• ゼロ磁場NMR

• TeachSpin EFNMR ウェブサイト
• マグリテック EFNMR ウェブサイト
• 2次元EFNMRイメージング
• 地球磁場NMR/MRI実習コース、SS24 2009年10月。オックスフォード大学物理学部
• 地球の磁場を利用したNMR
• オープンソースの地球磁場NMR分光計
• 地球の磁場に基づく磁気共鳴画像システム
• 地球磁場NMRの多孔質システムとポリマーゲルへの応用