Demagnetizing field effects on high resolution NMR spectra in solutions with paramagnetic impurities

(Received 21 December 1990, accepted 4 February 1991)

Abstract
The demagnetizing field is expressed as the sum of a diamagnetic term due to the molecular electronic magnetic moments of the solution which are induced by the external field and of a term arising from the electronic spins of the paramagnetic impurities. The effects of these two contributions of opposite signs on the NMR line are calculated as a function of the diamagnetic susceptibility of the solution, of the concentration of the paramagnetic molecules and of the sample geometry with respect to the external field. The theory is illustrated in D ₂O solutions by a spectroscopic study of the (CH ₃) ⁺₄ protons coupled with manganous Mn ²⁺ high spin paramagnetic ions. Considerable shifts and linewidths of several p.p.m. are observed when the geometry of the vessel is modified and, except for spherical samples, the lineshape is asymmetrical. A good agreement with the theory is obtained.

Résumé
On exprime le champ démagnétisant comme la somme d'un terme diamagnétique, dû aux moments magnétiques électroniques des molécules de la solution induits par le champ appliqué, et d'un terme provenant des spins électroniques des impuretés paramagnétiques. Les effets de ces deux contributions, de signes opposés, sur les raies de résonance nucléaire sont calculés en fonction de la susceptibilité diamagnétique de la solution, de la concentration en molécules paramagnétiques et de la géométrie de l'échantillon par rapport à la direction du champ. La théorie est illustrée par une étude de la RMN des protons de (CH ₃) ⁺₄ en solution dans D ₂O et couplés à des ions Mn ²⁺ de spin élevé. Des déplacements de raies et des élargissements considérables de plusieurs p.p.m. sont observés, lorsque la géométrie du tube est modifié et, sauf dans le cas d'un échantillon sphérique, les raies observées sont dissymétriques. La théorie et l'expérience sont en bon accord.