Ученые: ультранизкополевой ядерный магнитный резонанс
Магнитное поле Земли исследуется геологами и археологами. Теперь оно легло в основу методики, которая может в один прекрасный день быть использована для характеристики химического состава жидких смесей в их естественной среде.
Исследователи из Министерства энергетики США и Национальной лаборатории Лоренса Беркли в доказательство своей концепции провели ЯМР-эксперимент, в котором смесь углеводородов и воды была проанализирована с помощью магнитометра высокой чувствительности и сопоставлена с магнитным полем Земли.
Работа проводилась в ЯМР (ядерный магнитный резонанс)-лаборатории Александра Пайнса, одного из самых выдающихся ЯМР-исследователей в мире.
«Эта программа фундаментальных исследований стремится ответить на вопрос: как мы можем ощущать внутренние химические и физические свойства объекта на расстоянии без отбора проб или инкапсуляции», — говорит Викрам Бэджэдж, главный исследователь в группе Пайнса.
Высокополевой и низкополевой ЯМР
Тонкая чувствительность ЯМР для выявления химического состава и пространственное разрешение, которое он может обеспечить в медицинских целях, требуют больших и точных сверхпроводящих магнитов. Эти дорогостоящие магниты статичны. Исследуемый образец должен быть размещен внутри магнита таким образом, чтобы он весь подвергался воздействию однородного магнитного поля. Этот метод называется высокополевым ЯМР. Чувствительность высокополевого ЯМР пропорциональна силе магнитного поля.
Но химическая характеристика объектов, которые не могут быть размещены внутри магнита, требует иного подхода. В ЯМР-измерениях, геометрия типичного высокополевого эксперимента полностью изменена таким образом, что датчик исследует поверхность образца, и магнитное поле проецируется на объекте. Основная задача в этой ситуации заключается в создании однородного магнитного поля на достаточно большой площади образца, но это не представляется возможным, чтобы генерировать силовое поле, необходимое для обычных измерений ЯМР с высокой разрешающей способностью.
Вместо сверхпроводящего магнита низкополевые ЯМР-измерения можно проводить на основе магнитного поля Земли, учитывая достаточно чувствительный магнитометр.
«Одним из свойств магнитного поля Земли является то, что оно очень однородно, — объясняет Пол Гэнссл из лаборатории Пайнса. — Проблема с его использованием в МРТ (МРТ — магнитно-резонансная томография, технологический «брат» ЯМР) заключается в том, что необходимо магнитное поле, сильное и однородное».
«Чувствительность магнитного резонанса зависит от магнитного поля, — добавляет Бэджэдж. — Чем сильнее поле, тем сильнее сигнал, и тем выше его частота, которая также вносит свой вклад в чувствительность обнаружения».
Магнитное поле Земли действительно очень слабое, но оптические магнитометры могут служить датчиками для измерения ультранизкополевых ЯМР в одиночку без постоянных магнитов.
Релаксация и диффузия
В высокополевом ЯМР химические свойства образца определяются из их резонансного спектра, но это невозможно либо без чрезвычайно высоких полей, либо без чрезвычайно долгоживущих когерентных сигналов (ни один из которых не возможен с постоянными магнитами). В отличие от этого, измерения релаксации и диффузии низкополевых ЯМР более чем достаточно, чтобы определить свойства сыпучих материалов.
«При низких полях, которые можно получить с помощью постоянных магнитов или магнитного поля Земли, можно измерить спиновую релаксацию», — объясняет Гэнссл. Релаксация — скорость, с которой поляризованное вращение возвращается к равновесию, основанному на химических и физических характеристиках системы. Кроме того, ЯМР-эксперименты исследуют химические соединения на основе их различных коэффициентов диффузии, которые зависят от размера и формы молекулы.
Ключевая разница между этими и обычными экспериментами заключается в том, что релаксационные и диффузионные свойства определяются посредством оптически обнаруженного ЯМР, который работает чутко даже в слабых магнитных полях.
Измерение релаксации и / или диффузии уже широко используется в нефтедобывающей промышленности для подземных измерений ЯМР, при том что обычные зонды используют постоянный магнит, чтобы увеличить локальное магнитное поле.
«С помощью магнитометров у нас наконец появилась технология, которая может быть достаточно чувствительна для эффективного обнаружения объектов в поле Земли, и, возможно, в конечном счете, позволит обнаруживать их на больших расстояниях», — объясняет Скотт Зельцер, соавтор исследования.
«Эта концепция может эффективно применяться в нефтяной промышленности, — говорит Гэнссл. — Мы смешали углеводороды с водой, предварительно поляризовали их с помощью магнита и создали магнитное поле такое же, как у Земли. Мы провели измерения с нашим магнитометром и отделили компоненты нефти и воды на основе их спектров релаксации».
Эта технология может помочь в нефтедобывающей промышленности для характеристики жидкостей в скалах. Другие области применения: измерение содержания нефти и воды, протекающей в трубопроводе, путем измерения химического состава с течением времени, проверка качества продуктов питания, а также любой процесс отверждения полимера, например цемента.
Следующий шаг состоит в изучении глубинной геологической формации, которая могла бы быть отображена с помощью этой технологии.