Sıfır alan NMR

Sıfır ve ultra düşük alan (zero- to ultralow field- ZULF) NMR, NMR aktif çekirdekleri (spin 1/2 ve daha büyük) içeren kimyasalların nükleer manyetik rezonans spektrumlarının, manyetik alan etkisinin (Dünya alanı dahil) dikkatlice ortadan kaldırıldığı bir ortamda elde edilmesidir. ZULF NMR deneyleri, genellikle, pasif veya aktif şekilde manyetik kalkanlama yapılarak Dünya’nın manyetik alanının azaltılması ile gerçekleştirilir. Bu, süper iletken mıknatısların sağladığı yüksek manyetik alanda uygulanan yaygın NMR deneylerinin tersine bir yaklaşımdır. ZULF deneylerinde baskın etkileşim nükleer spin-spin eşleşmeleridir ve spinler ile dış manyetik alan arasındaki eşleşmeler bunun pertubasyonuna, yani sapmasına neden olur. Bu rejimde çalışmanın birçok avantajı bulunmaktadır: Manyetik alınganlık kaynaklı çizgi genişlemesi engellenir yani heterojen ortamdaki numunelerin spektrumlarındaki homojen olmamaktan kaynaklanan çizgi genişlemesi azaltır. Bir diğer avantaj ise düşük frekanslı sinyallerin, artan yüzey katmanı etkisi nedeniyle metaller gibi iletken malzemelerden kolayca geçebilmesidir. Bu durum numune kaplarının genellikle cam, kuvars veya seramikten yapıldığı yüksek alan NMR için geçerli değildir.
Sıfır alan NMR düzeneğinde, NMR spektroskopisi kullanılarak araştırılan bir örnek.
Yüksek alan NMR’da, radyo frekans sinyallerini algılamak için endüktif detektörler kullanır, ancak ZULF NMR deneylerinde sinyal frekansları tipik olarak çok daha düşük olduğundan (hertz ila kilohertz seviyesinde) bu yöntem verimsizdir. 2000'li yılların başında SQUID'ler, manyetorezistif sensörler ve SERF atomik manyetometreler dahil olmak üzere son derece hassas manyetik sensörlerin geliştirilmesi, NMR sinyallerini doğrudan ZULF rejiminde algılamayı mümkün kıldı. Önceki ZULF NMR deneyleri, numunenin sıfır veya çok düşük manyetik alandan yüksek manyetik alana gönderilip geleneksel bir endüksiyon bobini tarafından algılanmasına dayanıyordu. Daha sonrasında rubidyum buhar hücreleri ile çalışan atomik manyetometrelerin sıfır manyetik alanda, ZULF NMR sinyalleri algılanmasında kullanılması başarılı bir şekilde gerçekleştirildi.
Nükleer spin polarizasyonu sağlayabilecek yüksek manyetik alan olmadığından, nükleer spinler hiperpolarizasyon teknikleri kullanılarak harici olarak, başka yöntemlerle polarize edilmelidir. Bu, basitçe manyetik bir alanda spinleri polarize edip sonrasında sinyali saptamak için ZULF ortamına gönderilme seklinde olabilir ya da bunun için alternatif kimyasal reaksiyonlara dayanan hiperpolarizasyon teknikleri kullanılabilir.
Bazen bu yöntem yanlış bir şekilde nükleer kuadrupol rezonansı (nuclear quadrupole resonance-NQR) olarak adlandırılmaktadır.
[2-13C]-asetik asit ve [2-13C]-bromo asetik asit karışımını içeren bir numunenin yüksek alan ve sıfır alan NMR spektrumlarının karşılaştırılması. Yüksek alanda, 1H ve 13C nükleer spin türleri farklı frekanslarda salınım hareketi yaparlar ve J-esleme pertürbasyonu ile rezonans ikili, üçlü veya dörtlü multipletlere ayrılarak farklı 1H ve 13C spektrumları verir. Sıfır alanda, Larmor presesyonu yoktur ve rezonans frekansları esas olarak J-eşleşme değerleri tarafından belirlenir. Kayda değer bir özellik ise inhomojen manyetik alan olmamasından dolayı sıfır alanda piklerin dar olmasıdır.