手持式核磁共振波谱仪的研究

手持式核磁共振波谱仪的研究
摘要：针对现场中甲醛含量测定方法复杂的特点， 以DSP TMS320C6701 微处理器为平台，核磁共振检测技术为基础．通过开发专用功能芯片 A／D9852，用数字检波技术代替模拟正交检波，完成了核磁共振波谱仪的监 测、检测、记录、控制以及提供上微机接口等功能。简化了现在类似的测量 设备所需的复杂手段。找出了一种能实现快速 方便、精确的测量方法，转速计| 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 并 通过实验验证了该系统调节具有精度高．响应快等优点。

1 引言 随着1945年以F．Bloch和E．M．Purcell为首的两个组同时发现 核磁共振NMR(Nuclear Magnetic Resonance)现象，并获得1952 年诺贝尔物理奖以来，核磁共振技术得到迅猛的发展。广泛应用于 工业、农业、化学、生物和医学等领域。自从英国的共振仪器有限 公司推出的一台新型的MARAN小型磁共振聚合物分析仪后，核 磁共振技术的发展趋势是高自动化，高灵敏度，高性能以及产品系 列小型台式化。甲醛化学名称是：3，4-二甲基苯甲醛，无色或淡黄 色透明液体。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，甲醛已 经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应 源，也是潜在的强致突变物之一。其浓度含量为0，lmg／m3时， 就 有异味和不适感；达到0．5mg／m3时，可刺激眼睛，引起流泪；达 到0．6mg／m3，可引起咽喉不适或疼痛。达到30rag／m3时，会立即 致人死亡。鉴于甲醛的危害性，本文研究一种基于核磁共振技术的 手持式核磁共振波谱仪，它应用于工作现场测定甲醛等物质的含 量，具有方便易携带，成本低，灵敏度高，不必对样品进行破坏性 检测，代替繁琐的测试等优点。

2 工作原理 各种不同元素的原子具有不同的原子核，每种原子核的最基本 的特性是它的电荷和质量。某些原子核和电子一样也有自旋现象。 而自旋的原子核仍要相当于一个环行电流，很像一个小磁体，若将 具有自旋的原子核置于磁场中，自旋核角动量在磁场中受到力矩的 作用进行定向排列。使核磁矩在磁场中具有一定的能量。自旋角动 量不等于零的原子核都具有自旋磁矩。设自旋磁矩为 ：，则可以表 示为： z=6 · ·ni (1) 其中， 为核自旋磁矩在z方向分量， 6为核的因子， ，为核 磁子， n 为自旋量子数。 前已述及自旋角动量不等于零的原子核都具有自旋磁矩．如果 把这种核放在静磁场中，那么磁场对核磁矩有一个作用力，使核磁 矩在磁场中具有一定的能量。设原子核处于静磁场B0中，核在自身 旋转的同时又绕B0方向运动， 这时 ：与Bo相互作用的能量E等 于二者点乘积。E= ‘B0。如果原子核同时又在一个磁矢量垂直 于Bo平面上旋转的射频电磁场的作用下，当电磁场的频率y 等于 原子核的谐振频率时，就要产生核磁共振现象。这就是核磁共振的 本质。此时E=6· ·n·B0 通过磁头检测回来的图谱通过 哈密顿算符进行运算，哈密顿算符代表一个体系的能量算符，对于 核自旋体系来说，具有k~T JT式： R=一【 V + Σ IkIjlk】 (2) 式中， j是核j的化学位移， Jjk是核J和k之间的偶合常数， I i 是核J的自旋向量在z轴方向的分量， Ii、Ik分别是核J和核k的 自旋向量 式(2)第一项代表核自旋与磁场的相互作用，第二项是核自旋 之间的相互作用。这样根据谱图可直接采用峰高的比值来做定量分 析

3 系统构成 考虑到现场作业中，空气成份复杂，检测干扰项多的实际情 况。所以应用传统的电路设计通常不能达到理想的检测效果。故本 文提出一种新型核磁共振波谱仪测量系统，该系统利用连续波高分 辨率核磁共振法对现场中的甲醛含量进行检测。系统结构共分五部 分如图1所示。 图1 系统结构框图 永磁体及扫描线圈被用来产生B0如图2所示。扫描电路反馈给 扫描线圈线性变化的电流，使永磁体的磁感应强度在变化。放在永 磁体中心的测试采样线圈，数字锁序列是从Bloch产生方程连续磁 信号。利用直接数字合成法(DDS)，通过控制相位的变化速度。采 样及信号处理电路读取采样线圈中产生的核磁共振信号，经过放 大、解调及A／D9852转换后变成数字信号，送往微处理器DSP TMS32OC6701和PC机进行处理并显示。采样及信号处理电路中 的DSP微处理器可对采样振荡信号的频率进行控制，使核磁共振 RF频率调谐由程序控制．这样不但使测量系统的使用大大简化， 也提高了测量的准确度。

4 系统灵敏度分析 为了验证该测量系统灵敏度，考虑到操作现场的不确定性，避 免其他干扰和个别检测结果的不精确性，提供3O个样本作为待检 测源。特选用了某型号传统型核磁共振仪和化学检测方法进行横向 对比 检测结果如图3所示。 从图3中可以看出，该检测系统比传统型核磁共振仪具有灵敏 度高．检测精灵准等特点，取得了很好的现场检测效果。 仪器仪表用户 图2 核磁共振波谱仪测量系统示意图 图3三种检测方法对甲醛含量检测结果

5 结论 用核磁共振法检测现场中的甲醛含量，实质上是将被测样品的 核磁共振吸收峰的平均幅度与标准样品的核磁共振吸收峰的平均幅 度进行比较，经微处理器计算后得被测样品的含甲醛量。通过对检 测结果分析后，可以发现该系统不必对样品进行破坏性实验的前提 下，短时间之内就可测得现场中甲醛的含量。自动调谐等单片机控 制功能的加入，使检测过程中不用人干预，高度的自动化。并提供 与PC机接口，使数据处理、保存及打印变得十分的方便。该核磁 共振波谱仪可以用各种现场测甲醛含量的快捷手段。