手持式核磁共振波譜儀的研究

手持式核磁共振波譜儀的研究
摘要：針對現(xiàn)場中甲醛含量測定方法復雜的特點， 以DSP TMS320C6701 微處理器為平臺，核磁共振檢測技術為基礎．通過開發(fā)專用功能芯片 A／D9852，用數(shù)字檢波技術代替模擬正交檢波，完成了核磁共振波譜儀的監(jiān) 測、檢測、記錄、控制以及提供上微機接口等功能。簡化了現(xiàn)在類似的測量 設備所需的復雜手段。找出了一種能實現(xiàn)快速 方便、精確的測量方法，轉(zhuǎn)速計| 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 并 通過實驗驗證了該系統(tǒng)調(diào)節(jié)具有精度高．響應快等優(yōu)點。

1 引言 隨著1945年以F．Bloch和E．M．Purcell為首的兩個組同時發(fā)現(xiàn) 核磁共振NMR(Nuclear Magnetic Resonance)現(xiàn)象，并獲得1952 年諾貝爾物理獎以來，核磁共振技術得到迅猛的發(fā)展。廣泛應用于 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化學、生物和醫(yī)學等領域。自從英國的共振儀器有限 公司推出的一臺新型的MARAN小型磁共振聚合物分析儀后，核 磁共振技術的發(fā)展趨勢是高自動化，高靈敏度，高性能以及產(chǎn)品系 列小型臺式化。甲醛化學名稱是：3，4-二甲基苯甲醛，無色或淡黃 色透明液體。長期接觸低劑量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，甲醛已 經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)，是公認的變態(tài)反應 源，也是潛在的強致突變物之一。其濃度含量為0，lmg／m3時， 就 有異味和不適感；達到0．5mg／m3時，可刺激眼睛，引起流淚；達 到0．6mg／m3，可引起咽喉不適或疼痛。達到30rag／m3時，會立即 致人死亡。鑒于甲醛的危害性，本文研究一種基于核磁共振技術的 手持式核磁共振波譜儀，它應用于工作現(xiàn)場測定甲醛等物質(zhì)的含 量，具有方便易攜帶，成本低，靈敏度高，不必對樣品進行破壞性 檢測，代替繁瑣的測試等優(yōu)點。

2 工作原理 各種不同元素的原子具有不同的原子核，每種原子核的最基本 的特性是它的電荷和質(zhì)量。某些原子核和電子一樣也有自旋現(xiàn)象。 而自旋的原子核仍要相當于一個環(huán)行電流，很像一個小磁體，若將 具有自旋的原子核置于磁場中，自旋核角動量在磁場中受到力矩的 作用進行定向排列。使核磁矩在磁場中具有一定的能量。自旋角動 量不等于零的原子核都具有自旋磁矩。設自旋磁矩為 ：，則可以表 示為： z=6 · ·ni (1) 其中， 為核自旋磁矩在z方向分量， 6為核的因子， ，為核 磁子， n 為自旋量子數(shù)。 前已述及自旋角動量不等于零的原子核都具有自旋磁矩．如果 把這種核放在靜磁場中，那么磁場對核磁矩有一個作用力，使核磁 矩在磁場中具有一定的能量。設原子核處于靜磁場B0中，核在自身 旋轉(zhuǎn)的同時又繞B0方向運動， 這時 ：與Bo相互作用的能量E等 于二者點乘積。E= ‘B0。如果原子核同時又在一個磁矢量垂直 于Bo平面上旋轉(zhuǎn)的射頻電磁場的作用下，當電磁場的頻率y 等于 原子核的諧振頻率時，就要產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。這就是核磁共振的 本質(zhì)。此時E=6· ·n·B0 通過磁頭檢測回來的圖譜通過 哈密頓算符進行運算，哈密頓算符代表一個體系的能量算符，對于 核自旋體系來說，具有k~T JT式： R=一【 V + Σ IkIjlk】 (2) 式中， j是核j的化學位移， Jjk是核J和k之間的偶合常數(shù)， I i 是核J的自旋向量在z軸方向的分量， Ii、Ik分別是核J和核k的 自旋向量 式(2)第一項代表核自旋與磁場的相互作用，第二項是核自旋 之間的相互作用。這樣根據(jù)譜圖可直接采用峰高的比值來做定量分 析

3 系統(tǒng)構(gòu)成 考慮到現(xiàn)場作業(yè)中，空氣成份復雜，檢測干擾項多的實際情 況。所以應用傳統(tǒng)的電路設計通常不能達到理想的檢測效果。故本 文提出一種新型核磁共振波譜儀測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用連續(xù)波高分 辨率核磁共振法對現(xiàn)場中的甲醛含量進行檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共分五部 分如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 永磁體及掃描線圈被用來產(chǎn)生B0如圖2所示。掃描電路反饋給 掃描線圈線性變化的電流，使永磁體的磁感應強度在變化。放在永 磁體中心的測試采樣線圈，數(shù)字鎖序列是從Bloch產(chǎn)生方程連續(xù)磁 信號。利用直接數(shù)字合成法(DDS)，通過控制相位的變化速度。采 樣及信號處理電路讀取采樣線圈中產(chǎn)生的核磁共振信號，經(jīng)過放 大、解調(diào)及A／D9852轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，送往微處理器DSP TMS32OC6701和PC機進行處理并顯示。采樣及信號處理電路中 的DSP微處理器可對采樣振蕩信號的頻率進行控制，使核磁共振 RF頻率調(diào)諧由程序控制．這樣不但使測量系統(tǒng)的使用大大簡化， 也提高了測量的準確度。

4 系統(tǒng)靈敏度分析 為了驗證該測量系統(tǒng)靈敏度，考慮到操作現(xiàn)場的不確定性，避 免其他干擾和個別檢測結(jié)果的不精確性，提供3O個樣本作為待檢 測源。特選用了某型號傳統(tǒng)型核磁共振儀和化學檢測方法進行橫向 對比 檢測結(jié)果如圖3所示。 從圖3中可以看出，該檢測系統(tǒng)比傳統(tǒng)型核磁共振儀具有靈敏 度高．檢測精靈準等特點，取得了很好的現(xiàn)場檢測效果。 儀器儀表用戶 圖2 核磁共振波譜儀測量系統(tǒng)示意圖 圖3三種檢測方法對甲醛含量檢測結(jié)果

5 結(jié)論 用核磁共振法檢測現(xiàn)場中的甲醛含量，實質(zhì)上是將被測樣品的 核磁共振吸收峰的平均幅度與標準樣品的核磁共振吸收峰的平均幅 度進行比較，經(jīng)微處理器計算后得被測樣品的含甲醛量。通過對檢 測結(jié)果分析后，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不必對樣品進行破壞性實驗的前提 下，短時間之內(nèi)就可測得現(xiàn)場中甲醛的含量。自動調(diào)諧等單片機控 制功能的加入，使檢測過程中不用人干預，高度的自動化。并提供 與PC機接口，使數(shù)據(jù)處理、保存及打印變得十分的方便。該核磁 共振波譜儀可以用各種現(xiàn)場測甲醛含量的快捷手段。