静磁场(或称恒定磁场)是核磁共振实验的必要条件之一,因此用来产生静磁场的磁体是各类核磁共振波谱仪的必备部件。
一、静磁场与核磁共振波谱仪性能的关系
1、磁场强度高,则灵敏度好。 理论和实验表明,NMR信号强度正比于磁场强度的平方,二噪声比正比于磁场强度的1/2。
2、仪器的分辨率主要取决于静磁场的均匀性。而低分辨率还会影响到灵敏度,因为样品量决定了谱线的积分面积,谱线变宽必然导致谱线高度的降低。
3、由于化学位移与BO成正比,随着磁场强度的提高,谱线的重迭会减少,谱图得到简化。
4、仪器的稳定性主要取决于磁场的稳定性。磁场不稳定,则难以区分紧邻的谱线,因此尽管有了好的磁场均匀性仍然得不到高分辨的结果:不稳定的磁场将导致NMR信号的不稳定,使数据累加的效果变差;磁场不稳定,也无法精确测定化学位移和偶合常数。多共振实验、多脉冲实验以及多维谱对场稳定性的要求则更高。
因此,高质量的NMR波谱仪,不仅要求其磁体具有高的磁场强度,且要求磁场稳定,并保证样品区域的磁场高度均匀。
二、产生静磁场的磁体
1、永久磁体
对已成型的铁磁体进行一次性充磁后,用适当垫片粗调其场强及均匀性,此后长期不变。日常操作中,只对场强(场偏置)和磁均匀性做小范围的细调。
永久磁体对环境温度十分敏感,因此实验室多严格恒温,而且初次启动或停机后再启动时,往往要用一周的时间使磁体达到恒温状态。
永久磁体的优点是经济(用电只需500W左右,无需水冷却),体积小,重量较轻,安装操作简单,且磁场比较稳定。其缺点是制作材料限制了磁场度的进一步提高,目前极限场强是2.1特斯拉(1H共振频率90MHz);此外,磁体间隙小(若增大间隙,则场强及均匀性更难达到),不便于观测大直径样品,不易进行低灵敏度核的观测。永久磁体主要用于CW-核磁共振波谱仪。
2、电磁铁
用直流电流供给磁铁线圈来产生磁场,一旦断电,磁性随即消失。电磁铁的磁场强度BO与磁线圈的匝数及通过的电流强度有关,也与磁铁的间隙有关。
电磁铁的优点是:对环境无苛刻要求,磁场可即时升降,场强还可以设计成连续可调。 其缺点是:由于制作材料限制,磁场强度上限也只有2.34特斯拉(对应的1H共振频率为100MHz),体积大且有几吨的重量,要求有坚固的地基;耗电(约10kw)且需要水冷却。电磁铁的磁场稳定性比永久磁铁和超导磁体差得多,需要额外的高精度稳流电源和磁通稳定器。电磁铁主要用于常规分析型PPT-NMR波谱仪。
3、超导磁体
这是目前唯一可达到高磁场强度的磁体。根据不同要求,可设计成100MHz (2. 34T )-750MHz ( 17.5T)不同的场强,是唯一可用于高档研究型波谱仪的磁体。按磁体孔径的大小分为窄腔(5cm)、宽腔(9cm)和超宽腔(15cm)。
超导磁体一般是采用铌钛或铌锡合金超导材料制成的螺旋型线圈(超导线圈),放置在特制的低温杜瓦所盛装的液氢之中(4K),使之处于超导状态。安装时用大电流一次性励磁后,将线圈闭合(称为开场)。闭合的线圈内将维持一个稳定的大电流,产生一个稳定的磁场。如果按要求及时补充液氦和液氮,维持其超导状态,磁场将常年保持不变。如果磁体受到撞击或未及时补充液氢和液氮,则会使超导线圈电阻骤增,线圈中储存的电磁能将变为热能蒸发到周围的液氦之中,使其迅速蒸发,产生所谓“失超”。这时,必须使磁体重新冷却,再次励磁。
超导磁体具有十分明显的优点:可实现高磁场,且磁场稳定。但其设计复杂,价格品贵,一旦升场则连续运行。由于液氦和液氮的消耗,仪器的运行费用较高,且场强越高费也越高,随着磁体制造技术的改进,商品仪器已采用低耗杜瓦以及超低耗杜瓦,液氦消耗已降到0.O1L/ h。
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