靜磁場(或稱恒定磁場)是核磁共振實驗的必要條件之一,因此用來產生靜磁場的磁體是各類核磁共振波譜儀的必備部件。
一、靜磁場與核磁共振波譜儀性能的關系
1、磁場強度高,則靈敏度好。 理論和實驗表明,NMR信號強度正比于磁場強度的平方,二噪聲比正比于磁場強度的1/2。
2、儀器的分辨率主要取決于靜磁場的均勻性。而低分辨率還會影響到靈敏度,因為樣品量決定了譜線的積分面積,譜線變寬必然導致譜線高度的降低。
3、由于化學位移與BO成正比,隨著磁場強度的提高,譜線的重迭會減少,譜圖得到簡化。
4、儀器的穩定性主要取決于磁場的穩定性。磁場不穩定,則難以區分緊鄰的譜線,因此盡管有了好的磁場均勻性仍然得不到高分辨的結果:不穩定的磁場將導致NMR信號的不穩定,使數據累加的效果變差;磁場不穩定,也無法精確測定化學位移和偶合常數。多共振實驗、多脈沖實驗以及多維譜對場穩定性的要求則更高。
因此,高質量的NMR波譜儀,不僅要求其磁體具有高的磁場強度,且要求磁場穩定,并保證樣品區域的磁場高度均勻。
二、產生靜磁場的磁體
1、永久磁體
對已成型的鐵磁體進行一次性充磁后,用適當墊片粗調其場強及均勻性,此后長期不變。日常操作中,只對場強(場偏置)和磁均勻性做小范圍的細調。
永久磁體對環境溫度十分敏感,因此實驗室多嚴格恒溫,而且初次啟動或停機后再啟動時,往往要用一周的時間使磁體達到恒溫狀態。
永久磁體的優點是經濟(用電只需500W左右,無需水冷卻),體積小,重量較輕,安裝操作簡單,且磁場比較穩定。其缺點是制作材料限制了磁場度的進一步提高,目前極限場強是2.1特斯拉(1H共振頻率90MHz);此外,磁體間隙小(若增大間隙,則場強及均勻性更難達到),不便于觀測大直徑樣品,不易進行低靈敏度核的觀測。永久磁體主要用于CW-核磁共振波譜儀。
2、電磁鐵
用直流電流供給磁鐵線圈來產生磁場,一旦斷電,磁性隨即消失。電磁鐵的磁場強度BO與磁線圈的匝數及通過的電流強度有關,也與磁鐵的間隙有關。
電磁鐵的優點是:對環境無苛刻要求,磁場可即時升降,場強還可以設計成連續可調。 其缺點是:由于制作材料限制,磁場強度上限也只有2.34特斯拉(對應的1H共振頻率為100MHz),體積大且有幾噸的重量,要求有堅固的地基;耗電(約10kw)且需要水冷卻。電磁鐵的磁場穩定性比永久磁鐵和超導磁體差得多,需要額外的高精度穩流電源和磁通穩定器。電磁鐵主要用于常規分析型PPT-NMR波譜儀。
3、超導磁體
這是目前唯一可達到高磁場強度的磁體。根據不同要求,可設計成100MHz (2. 34T )-750MHz ( 17.5T)不同的場強,是唯一可用于高檔研究型波譜儀的磁體。按磁體孔徑的大小分為窄腔(5cm)、寬腔(9cm)和超寬腔(15cm)。
超導磁體一般是采用鈮鈦或鈮錫合金超導材料制成的螺旋型線圈(超導線圈),放置在特制的低溫杜瓦所盛裝的液氫之中(4K),使之處于超導狀態。安裝時用大電流一次性勵磁后,將線圈閉合(稱為開場)。閉合的線圈內將維持一個穩定的大電流,產生一個穩定的磁場。如果按要求及時補充液氦和液氮,維持其超導狀態,磁場將常年保持不變。如果磁體受到撞擊或未及時補充液氫和液氮,則會使超導線圈電阻驟增,線圈中儲存的電磁能將變為熱能蒸發到周圍的液氦之中,使其迅速蒸發,產生所謂“失超”。這時,必須使磁體重新冷卻,再次勵磁。
超導磁體具有十分明顯的優點:可實現高磁場,且磁場穩定。但其設計復雜,價格品貴,一旦升場則連續運行。由于液氦和液氮的消耗,儀器的運行費用較高,且場強越高費也越高,隨著磁體制造技術的改進,商品儀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。