低场脉冲核磁共振分析测量仪及其应用

　　1　引　言

　　自1945年美国物理学家Bloch和Purcell发现核磁共振现象以来,核磁共振作为一种重要的现代分析手段已广泛应用于各个领域,如物质 结构分析、医学成像、油气资源的勘探。核磁共振波谱仪为了能区分化学位移,要求仪器的空间分辨率高,背景场均匀性要求优于0.1ppm,且场强较高,对于 氢核,其共振频率一般在上百兆。因此导致其场源大多为超导强磁场,因此仪器的价格昂贵,维护费用高,维修困难,调试过程繁冗,对使用者的技术素质要求也较 高,从而大大限制了核磁共振技术在定量分析中的应用。

　　低场脉冲核磁共振分析测量仪器采用价格低廉的钕铁硼永磁材料作为场源,降低背景场强均匀性要求,放弃对于化学位移的分辨,利用脉冲序列实现定量分析,具有快速、准确、无损的特点.

　　2　低场核磁共振分析测量仪器的构成

　　低场核磁共振分析仪器可以分为电路部分和磁场部分。

　　磁场部分由永磁装置和射频线圈部分组成,用于提供背景极化场和射频激励场。电路部分包括射频发射单元、信号接收单元、控制单元和计算机。射频

　　发射单元由射频振荡器和功率放大器组成,在控制单元的调控下,产生短而强的射频信号加在线圈两端。当发生核磁共振时,线圈两端产生自由感应衰减 (FID-ree Induction Decay)信号[1],此信号经过放大、滤波、A/D转换、数字正交检波等环节,在控制单元的协调下将信号上载到计算机,由计算机对信号进行后续的数字 化滤波以及解释工作。

　　低场核磁共振由于背景场强低,因而其性噪比低。利用有限元工具优化永磁机构与射频线圈设计,采用现代数字技术对接收信号进行处理,从而弥补背景 场强低带来的不足,这使得在低场下对物质进行定量分析成为可能。由此可以克服高场核磁共振波谱仪的价格昂贵、维护困难等缺点,从而使高场核磁共振仪器服务 于科学研究,低场核磁共振服务于工农业生产。

　　3　历史与现状

　　国外早在70年代就开始了低场核磁共振分析仪器的研制,比较有代表性的是德国的Bruker公司。Bruker公司在1972年开发出其第一代 产品p20,采用脉冲核磁共振原理,工作频率在20兆赫兹,随后又推出了第二代工业用产品p20i,可以测定巧克力中脂肪和油菜籽中油的相对含量。到了 1980年,Bruker公司开发出第三代产品pc10/pc20,采用微处理器控制,可用于石化行业和制药业,能够测量含量绝对值,并荣获当年的 R&D 100项奖。

　　Bruker公司的第四代产品pc100增加了软件的分析功能,实现了磁体-电子设备-计算机的分离,减少了磁体系统对于电子线路的干扰,也使 得操作人员远离样品区域,并且扩大了产品用途,可同时测定体积较大的种子中水和油的含量。Bruker公司的第五代产品NMS100采用PC标准架构整套 仪器,人机界面更加友好,增加了氟含量分析的功能,使用温度范围更宽(100℃~200℃),不仅可以作为科研仪器,而且可以作为工业生产的质量监控仪 器。目前Bruker公司的最新产品mq系列,其工作频率在2~65兆赫兹范围内可调,增加了互联网操作功能,可实现远程分析测量。英国的OXFORD和 RESONANCE公司也开发了其各自的低场核磁共振分析测量仪器。国内目前还没有具有自主知识产权的低场脉冲核磁共振分析测量仪器。