Принципы построения и области применения ЯМР-релаксометров - Реферат

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций Принципы построения и области применения ЯМР-релаксометровСпектроскопия ядерного магнитного резонанса, ЯМР-спектроскопия - экспериментальная методика, применяемая как в химии, так и в физике, основанная на явлении ядерного магнитного резонанса. Наиболее важным применением является спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 (13C ЯМР-спектроскопия ), фтора-19 (19F ЯМР-спектроскопия), фосфора-31 (31P ЯМР-спектроскопия ).Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) был открыт в 1938 году Исидором Раби в молекулярных пучках. Явление ядерного магнитного резонанса состоит в резонансном поглощении и излучении электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ?, обусловленной переориентацией магнитных моментов ядер. Ядра, чьи массовые и зарядовые числа являются четными, не обладают магнитным моментом, в то время как магнитный момент всех прочих ядер отличен от нуля. Угловой и магнитный моменты ядра квантованы; собственные значения проекции и углового, и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношениями и , где - магнитное число собственного состояния ядра; его значения определяются спиновым числом ядра , то есть ядро может находиться в 2I 1 состояниях. Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2-13C,19F,31P и т.п.) может находиться только в двух состояниях , такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.Релаксация - это переход между энергетическими состояниями, восстанавливающий обычное больцмановское распределение. Спин-решеточный или продольный механизм релаксации включает перенос энергии от возбужденных протонов к окружающим, которые колеблются со своими частотами. Существует ряд отдельных механизмов спин-решеточной релаксации: • Связанный с диполь-дипольным магнитным взаимодействием с молекулами растворителя, в результате которого происходит превращение магнитной энергии в тепловую. Величина T1 связана с вязкостью исследуемого образца - в более вязком образце ускоряются релаксационные процессы; это приводит к уширению линий. Этот механизм проявляется сильнее всего, если рядом с исследуемым ядром находится ядро с электрическим квадрупольным моментом.Однако структура и основные элементы устройства сохранились: генератор (синтезатор) резонансной радиочастоты n0; формирователь радиочастотных импульсов в соответствии с последовательностью видеоимпульсов, поступающих либо с программатора, либо формирующихся в соответствии с программой ЭВМ; усилитель мощности (передатчик); магнитная система с системой термостабилизации; датчик с катушкой индуктивности; предусилитель сигналов ЯМР; усилитель сигналов ЯМР с детектором (приемник). Программатор (формирователь импульсов) должен точно задавать длительности импульсов и все интервалы между импульсами. Передатчик (усилитель мощности) должен усиливать ВЧ-импульсы до мощности в импульсе равной 100 Вт - 10 КВТ; длительность сформированных импульсов TP = 1-10 мкс, время нарастания и спада импульса T r должно быть мало по сравнению с длительностью импульса, а поле В1, создаваемое им, должно быть максимально однородным. Мощность передатчика должна быть использована с максимальной эффективностью: поле В1 в образце должно быть велико по сравнению с шириной спектра и лежать в диапазоне В1 = 10-500 Гс; выходной каскад передатчика должен быть согласован с кабелем и с датчиком для минимизации потерь передачи импульса. Как предусилитель, так и усилитель должны обладать большим динамическим диапазоном (т.е. линейной характеристикой передачи в большом диапазоне амплитуд сигнала: по меньшей мере от 1 МКВ до нескольких милливольт для предусилителя и от 1 МВ до 1 В для основного усилителя (приемника).Спектр задач, для решения которых применяется ЯМР релаксометры, охватывает различные отрасли - от пищевой, например, анализ содержания твердых жиров и масличности семян, химической и полимерной, до медицинской и фармацевтической (исследования процессов ожирения и контрастирующих агентов для МРТ). ЯМР-релаксометры используются в том числе для управления установками для производства водных топливных эмульсий из органических остатков, то есть для решения важной проблемы очистки стоков. Один из примеров, который мы в этой работе рассмотрим более подробно - контроль качества сырья и продукции масложировой отрасли. При помощи настольных ЯМР релаксометров можно очень быстро и с высокой точностью определять такие параметры в пищевом сырье как: • Совместное содержание влаги и жира Анализатор за минуты или секунды выполняет то, на что другим методам требуется до 4-6 часов.

Содержание

Введение

Глава 1. Основные понятия

1.1 Ядерный магнитный резонанс

1.2 Релаксация

Глава 2. Принципы построения и области применения ЯМР-релаксометров

2.1 Структурно-функциональная схема и принципы построения современного ЯМР-релаксометра. Минимальные требования, предъявляемые к современному универсальному импульсному спектрометру ЯМР

2.2 Области применения ЯМР-релаксометров. Пример использования для анализа сырья

Заключение

Литература