金铠仪器 核磁共振用超极化129Xe发生装置

装置概述                                                                                  

氙气（Xenon）是一种惰性单原子气体，不易与其它物质发生化学反应。129Xe核自旋量子数为1/2，天然丰度为26.4%，抛开弛豫时间讲，129XeNMR核的检测灵敏度是13C 核的31.8倍，因此它比13C 核更容易观测。129Xe NMR 技术广泛应用于研究分子筛催化剂等无机和有机材料的孔结构、客体粒子的分布、催化剂上结炭的位置以及吸附分子在表面的扩散过程等。Xe原子对其周围环境的敏感性已使129Xe NMR成为分子筛等催化剂结构研究的重要手段之一。

129XeNMR是检测多孔材料孔结构比较有效和灵敏的手段，超极化技术的采用能极大地提高检测灵敏度，缩短检测时间，它能有效的提供孔结构的直接信息和确定其中客体粒子的位置和分布，尤其对少量样品的检测、低比表面积材料的孔结构表征和非平衡过程的观测非常有效。

实验                                                                                 

利用超极化129Xe探针对ZSM-5结构的多孔材料中的孔结构变化进行研究。研究体系为不同制备和处理方法得到的ZSM-5结构的分子筛，该分子筛体系为3个H-ZSM-5（MFI结构）对比样品，样品1为原粉H-ZSM-5样品，即合成的H-ZSM-5样品，未经特殊处理，样品颗粒约40~60目（40~10微米）；样品2为样品1的基础上添加40%的粘结剂，粘结剂为无微孔的粉末材料γ-氧化铝粉，经过机械混合后挤压成型为2~3毫米直径的颗粒状；样品3为样品1直接挤压成型为2~3毫米直径的颗粒状。3个被测试样经420°C真空脱水20小时，真空度维持在10-4Pa水平。进行超极化129Xe核磁共振测试，测试温度在-80°C至35°C。129Xe共振频率为110MHz，脉冲程序为单脉冲程序。

H-ZSM-5是石化工业常用的微孔催化剂材料，其孔道性质是影响工业过程的至关重要的因素之一。常用的孔径分析仪器如物理吸附仪能够给出材料的比表面积和孔分布信息，但是对于孔道的微小差异却无能为力了。而氙气原子由于其核外电子云极易受到周围环境的影响，对孔道大小的变化尤其敏感。附图1为上述3个样品的超极化129Xe NMR谱图，从图中可以发现273K下，未经成型处理的H-ZSM-5样品1#，其化学位移为~109ppm；经挤压成型的H-ZSM-5样品3#其化学位移为~104ppm，且谱峰略有展宽；而物理混合粘结剂的H-ZSM-5样品2#在104~109ppm范围内出现了带有肩峰的双峰结构，不同的处理条件出现了明显的差异。在-80°C到35°C范围内对3个样品进行研究发现，样品1#和样品3#在所有温度范围内均表现为一个单一的峰，意味着其孔道结构均是单一的，但是它们之间的孔道体现出了差异。附图2给出了样品2#在-30°C到35°C范围内的谱峰，明显看出其具有双峰结构。从谱峰的化学位移分析，这两个峰均为微孔结构，而氧化铝通常不会出现微孔结构，意味着该两种孔道均来自H-ZSM-5的微孔，而我们知道该分子筛只有单一的微孔，而出现两个峰意味着有两种不同孔道出现，且两种孔道是分离的。这个实验结果对于催化剂的制备具有非常重要的意义。

超极化129氙制备                                                                                  

制备激光极化的惰性气体一般是通过光学抽运以及极化的电子自旋与核自旋之间的自旋交换完成。我们采用的方法是激光极化碱金属自旋交换，它能够在较大的温度、压力和磁场强度范围内获得高的核自旋极化的氙。金属铷原子的电子能级在外磁场作用下发生裂分，在激光作用下，电子从低能态跃迁到高能态产生极化态的铷原子（Rb），这种激光极化的铷原子与氙原子的极化转移将导致氙核磁共振的检测灵敏度极大的提高。

超极化129氙核磁装置流程图                                                                                

现阶段产品                                                                                   

我公司现有超极化129氙产品设备2种：

一种是利用NMR磁体周围环境磁场，靠近磁体的一款超极化129氙核磁设备，此设备极化后与样品间传输距离短，有效减少去极化，针对实验室检测孔材料结构所研发, 流量0-500ml 极化效率能达到10%。

另一种是采用外加匀强磁场线圈，运用摆放位置灵活，极化稳定，极化效率提高，可以有更广泛的使用领域。

技术参数                                                                                   

工作压力：0.1-0.4MPa                            气体流路：氙气混合气、氦气、氮气等

气体质量流量器：0-500SCCM，0-100SCCM            极化池可控温度：室温-200℃

磁场范围：0-100G                                激光器功率：0-120W（根据用户需求）

计算机控制 （任选）

现阶段产品优势和特点                                                                                  

- 目前超极化129氙核磁装置已经在实验室运行使用，采样多次，已经成为实验室微孔材料检测不可或缺的装置。

- 通道设计，便于灵活运用，与反应气体连用，可以减少前期铷气化过程129氙的浪费。

- 采用冷凝装置，实现气化铷的冷凝，替代原来的冰袋冷凝

- 可以实现流量和压力的精准控制

未来展望                                                                                  

超极化的129Xe已被广泛应用到核物理、高能物理、材料研究、表面科学、化学物理、生物系统、核磁共振成象和核磁共振波谱等领域，并取得很多热平衡样品所未能取得的成果，而且目前正在深入医疗学科领域中去。