RMN de campo cero

La RMN de campo cero a ultrabajo (ZULF) es la adquisición de espectros de resonancia magnética nuclear de sustancias químicas con núcleos magnéticamente activos (espines 1/2 y más) en un entorno cuidadosamente protegido de campos magnéticos (incluido el campo terrestre).). Los experimentos ZULF NMR generalmente implican el uso de blindaje pasivo o activo para atenuar el campo magnético de la Tierra. Esto contrasta con la mayoría de los experimentos de RMN que se realizan en campos magnéticos elevados proporcionados por imanes superconductores. En los experimentos ZULF, las interacciones dominantes son los acoplamientos de espín-espín nuclear, y el acoplamiento entre los espines y el campo magnético externo es una perturbación de esto. Operar en este régimen presenta una serie de ventajas: se atenúa el ensanchamiento de la línea inducido por la susceptibilidad magnética, lo que reduce el ensanchamiento no homogéneo de las líneas espectrales para muestras en entornos heterogéneos. Otra ventaja es que las señales de baja frecuencia pasan fácilmente a través de materiales conductores como los metales debido a la mayor profundidad de la piel;este no es el caso de la RMN de alto campo para la que los recipientes de muestra suelen estar hechos de vidrio, cuarzo o cerámica.

La RMN de campo alto emplea detectores inductivos para captar las señales de radiofrecuencia, pero esto sería ineficiente en los experimentos de RMN ZULF ya que las frecuencias de la señal suelen ser mucho más bajas (del orden de hercios a kilohercios). El desarrollo de sensores magnéticos altamente sensibles a principios de la década de 2000, incluidos SQUID , sensores magnetorresistivos y magnetómetros atómicos SERF.hizo posible detectar señales de RMN directamente en el régimen ZULF. Los experimentos ZULF NMR anteriores se basaban en la detección indirecta, donde la muestra tenía que ser transportada desde el entorno ZULF blindado a un campo magnético alto para la detección con una bobina captadora inductiva convencional. Una implementación exitosa fue el uso de magnetómetros atómicos en el campo magnético cero trabajando con celdas de vapor de rubidio para detectar RMN de campo cero. ^{[2] [3]}

Sin un gran campo magnético para inducir la polarización del espín nuclear, los espines nucleares deben polarizarse externamente utilizando técnicas de hiperpolarización . Esto puede ser tan simple como polarizar los espines en un campo magnético seguido de un traslado a la región ZULF para la adquisición de la señal, y también se pueden usar técnicas alternativas de hiperpolarización basadas en la química.

La evolución libre de los espines nucleares se rige por un hamiltoniano ( ), que en el caso de la resonancia magnética nuclear en estado líquido se puede dividir en dos términos principales. El primer término ( ) corresponde a la interacción de Zeeman entre los espines y el campo magnético externo, que incluye el desplazamiento químico ( ). El segundo término ( ) corresponde a la interacción indirecta espín-espín o acoplamiento en J.${\ estilo de visualización {\ sombrero {H}}}$${\displaystyle {\sombrero {H}}_{z}}$${\ estilo de visualización \ sigma}$${\displaystyle {\sombrero {H}}_{J}}$

Una muestra que se está investigando mediante espectroscopia de RMN en una configuración de RMN de campo cero. ^[1]

Una comparación entre los espectros de RMN de campo alto y campo cero de una muestra que contiene una mezcla de ácido [2- ¹³ C]-acético y ácido [2- ¹³ C]-bromoacético. En el campo alto, las especies de espín nuclear ^{de 1H} y ^13C precesan a diferentes frecuencias, produciendo espectros distintos ^de 1H y ^13C con la perturbación del acoplamiento J dividiendo la resonancia en patrones de multiplete doble, triplete o cuarteto. En el campo cero, no hay precesión de Larmor y las frecuencias de resonancia están determinadas principalmente por los acoplamientos en J. Una característica notable es el ancho de línea estrecho en el campo cero, debido a la falta de ensanchamiento no homogéneo.

El estado de equilibrio térmico de un par ¹ H - ¹³ C en campo alto corresponde a un estado en el que ambos espines están polarizados a lo largo del campo B ₀ , con una polarización de ¹ H unas 4 veces mayor que la de los espines ¹³ C. Este es un estado estacionario en campo alto. Si el campo se apaga de forma no adiabática (rápidamente), el estado comienza a evolucionar. La polarización oscila entre los giros de ¹ H y ¹³ C en la frecuencia de acoplamiento J (210 Hz en este ejemplo), y esto da lugar a los espectros J en ZULF NMR.

Resonancias de RMN de un par de espín ¹ H- ¹³ C con un acoplamiento J de 100 Hz bajo diferentes campos magnéticos externos.