手持式核磁共振波譜儀的研究
摘要：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中甲醛含量測(cè)定方法復(fù)雜的特點(diǎn)， 以DSP TMS320C6701 微處理器為平臺(tái)，核磁共振檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)．通過(guò)開(kāi)發(fā)專用功能芯片 A／D9852，用數(shù)字檢波技術(shù)代替模擬正交檢波，完成了核磁共振波譜儀的監(jiān) 測(cè)、檢測(cè)、記錄、控制以及提供上微機(jī)接口等功能。簡(jiǎn)化了現(xiàn)在類似的測(cè)量 設(shè)備所需的復(fù)雜手段。找出了一種能實(shí)現(xiàn)快速 方便、精確的測(cè)量方法，轉(zhuǎn)速計(jì)| 水份計(jì)| 水份儀| 分析儀| 溶氧計(jì)| 電導(dǎo)度計(jì)| PH計(jì)| 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 并 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)調(diào)節(jié)具有精度高．響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言 隨著1945年以F．Bloch和E．M．Purcell為首的兩個(gè)組同時(shí)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(jiǎng)以來(lái)，核磁共振技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。廣泛應(yīng)用于 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。自從英國(guó)的共振儀器有限 公司推出的一臺(tái)新型的MARAN小型磁共振聚合物分析儀后，核 磁共振技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高自動(dòng)化，高靈敏度，高性能以及產(chǎn)品系 列小型臺(tái)式化。甲醛化學(xué)名稱是：3，4-二甲基苯甲醛，無(wú)色或淡黃 色透明液體。長(zhǎng)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(rèn)的變態(tài)反應(yīng) 源，也是潛在的強(qiáng)致突變物之一。其濃度含量為0，lmg／m3時(shí)， 就 有異味和不適感；達(dá)到0．5mg／m3時(shí)，可刺激眼睛，引起流淚；達(dá) 到0．6mg／m3，可引起咽喉不適或疼痛。達(dá)到30rag／m3時(shí)，會(huì)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(shù)的 手持式核磁共振波譜儀，它應(yīng)用于工作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行破壞性 檢測(cè)，代替繁瑣的測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。

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(dāng)于一個(gè)環(huán)行電流，很像一個(gè)小磁體，若將 具有自旋的原子核置于磁場(chǎng)中，自旋核角動(dòng)量在磁場(chǎng)中受到力矩的 作用進(jìn)行定向排列。使核磁矩在磁場(chǎng)中具有一定的能量。自旋角動(dòng) 量不等于零的原子核都具有自旋磁矩。設(shè)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(dòng)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(chǎng)中，那么磁場(chǎng)對(duì)核磁矩有一個(gè)作用力，使核磁 矩在磁場(chǎng)中具有一定的能量。設(shè)原子核處于靜磁場(chǎng)B0中，核在自身 旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又繞B0方向運(yùn)動(dòng)， 這時(shí) ：與Bo相互作用的能量E等 于二者點(diǎn)乘積。E= ‘B0。如果原子核同時(shí)又在一個(gè)磁矢量垂直 于Bo平面上旋轉(zhuǎn)的射頻電磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)電磁場(chǎng)的頻率y 等于 原子核的諧振頻率時(shí)，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(shí)E=6· ·n·B0 通過(guò)磁頭檢測(cè)回來(lái)的圖譜通過(guò) 哈密頓算符進(jìn)行運(yùn)算，哈密頓算符代表一個(gè)體系的能量算符，對(duì)于 核自旋體系來(lái)說(shuō)，具有k~T JT式： R=一【 V + Σ IkIjlk】 (2) 式中， j是核j的化學(xué)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(xiàng)代表核自旋與磁場(chǎng)的相互作用，第二項(xiàng)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(lái)做定量分 析

3 系統(tǒng)構(gòu)成 考慮到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，空氣成份復(fù)雜，檢測(cè)干擾項(xiàng)多的實(shí)際情 況。所以應(yīng)用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)通常不能達(dá)到理想的檢測(cè)效果。故本 文提出一種新型核磁共振波譜儀測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用連續(xù)波高分 辨率核磁共振法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中的甲醛含量進(jìn)行檢測(cè)。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(lái)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(yīng)強(qiáng)度在變化。放在永 磁體中心的測(cè)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(hào)。利用直接數(shù)字合成法(DDS)，通過(guò)控制相位的變化速度。采 樣及信號(hào)處理電路讀取采樣線圈中產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)，經(jīng)過(guò)放 大、解調(diào)及A／D9852轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，送往微處理器DSP TMS32OC6701和PC機(jī)進(jìn)行處理并顯示。采樣及信號(hào)處理電路中 的DSP微處理器可對(duì)采樣振蕩信號(hào)的頻率進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)的使用大大簡(jiǎn)化， 也提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

4 系統(tǒng)靈敏度分析 為了驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)靈敏度，考慮到操作現(xiàn)場(chǎng)的不確定性，避 免其他干擾和個(gè)別檢測(cè)結(jié)果的不精確性，提供3O個(gè)樣本作為待檢 測(cè)源。特選用了某型號(hào)傳統(tǒng)型核磁共振儀和化學(xué)檢測(cè)方法進(jìn)行橫向 對(duì)比 檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。 從圖3中可以看出，該檢測(cè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)型核磁共振儀具有靈敏 度高．檢測(cè)精靈準(zhǔn)等特點(diǎn)，取得了很好的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效果。 儀器儀表用戶 圖2 核磁共振波譜儀測(cè)量系統(tǒng)示意圖 圖3三種檢測(cè)方法對(duì)甲醛含量檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論 用核磁共振法檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中的甲醛含量，實(shí)質(zhì)上是將被測(cè)樣品的 核磁共振吸收峰的平均幅度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的核磁共振吸收峰的平均幅 度進(jìn)行比較，經(jīng)微處理器計(jì)算后得被測(cè)樣品的含甲醛量。通過(guò)對(duì)檢 測(cè)結(jié)果分析后，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不必對(duì)樣品進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)的前提 下，短時(shí)間之內(nèi)就可測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)中甲醛的含量。自動(dòng)調(diào)諧等單片機(jī)控 制功能的加入，使檢測(cè)過(guò)程中不用人干預(yù)，高度的自動(dòng)化。并提供 與PC機(jī)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(chǎng)測(cè)甲醛含量的快捷手段。