一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪

本发明涉及利用核磁共振测试领域，特别是涉及一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪。

背景技术：

1、核磁共振(nuclearmagnetic resonance，nmr)是物质科学领域的一个基本物理现象，它能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息，是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。然而，较低的检测灵敏度一直是传统核磁共振谱仪的一个重要问题。为了提高灵敏度这个指标，商用的核磁共振谱仪不断地向高场方向发展。但是随着外磁场的提高，大型超导磁体的造价与难度急剧升高。另外，磁场的不均匀性也随磁场增长而增加，严重影响核磁共振的谱线分辨率。近年来，随着物质科学探索的不断深入，人们开始逐渐探索核磁共振从高磁场向超低场发展的可能性。随着量子传感器的快速发展，原子磁力计这一量子传感器为超低场核磁共振提供了高灵敏检测手段，可以实现高灵敏度高分辨率的核磁共振检测。超低场核磁共振由于消除了对昂贵超导磁体的依赖，超低场核磁共振具有突出的优势，如经济、便携、极高的磁场均匀性等，在医学、生物、化学、精密测量等方面都有广泛的应用潜力。

2、为了获得高信噪比和高分辨率的超低场核磁共振谱，提高超低场核磁共振的灵敏度至关重要。传统的低场核磁共振技术使用永磁铁来极化样品，然后将其转移到零场区域进行测量。然而，这种方法存在诸多局限性。首先，样品的极化度较低，即使在10t磁场下热极化，样品的极化度也仅达到10-5。其次，需要将样品从强磁场区域转移到超低磁场区域。第三，无法对样品施加较大(～1ut)的磁场，因为与原子磁力计的磁场环境相同，较大的磁场会显著降低原子磁力计的灵敏度。

3、例如，在中国发明专利申请cn111537540a以及文献“ahighly versatileautomatized setup for quantitative measurements of phip enhancements”、“instrumentation forhydrogenative parahydrogen-basedhyperpolarizationtechniques”中展示了目前超极化装置的普遍结构，该装置只能仲氢在常压状态下与样品反应，且流速不能太快，否则会使样品冲出样品管。这极大的限制了样品的极化度。其中，phip：parahydrogen inducedpolarization，仲氢诱导极化。

4、文献“near-zero-field nuclear magnetic resonance”中，美国加州伯克利分校的budker组首次实现了超低场核磁共振谱学的探测。但该方法使用磁铁进行热极化，极化度低，这极大的降低了检测灵敏度。文献“parahydrogen-enhanced zero-fieldnuclearmagnetic resonance”中，首次实现了仲氢超极化技术与超低场谱仪的结合，但是该方法只适用于在极弱磁场测量，极大的降低了核磁共振领域的实用性。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪包括：仲氢超极化系统、脉冲控制系统、信号探测系统和主控系统；

4、所述仲氢超极化系统、所述脉冲控制系统和所述信号探测系统均与所述主控系统电连接；

5、所述氢超极化系统用于极化核磁共振样品；所述脉冲控制系统用于向核磁共振样品施加脉冲；所述信号探测系统用于获取各原子核的进动信号，并将各原子核的进动信号转换为电压信号；各原子核包括氢原子核、碳原子核和氮原子核；所述核磁共振样品置于样品盛放单元中；

6、所述主控系统用于生成控制指令，并用于采集所述电压信号；所述控制指令包括仲氢超极化系统控制指令、脉冲控制系统控制指令和信号探测系统控制指令；所述脉冲控制系统控制指令用于控制所述脉冲控制系统生成设定波形的脉冲电压。

7、可选地，所述仲氢超极化系统包括：仲氢进气通道、惰性气体进气通道和排气通道；

8、所述仲氢进气通道、所述惰性气体进气通道和所述排气通道均与样品盛放单元连接；所述仲氢进气通道用于向所述样品盛放单元通入仲氢；所述惰性气体进气通道用于向所述样品盛放单元通入惰性气体；所述排气通道用于排放所述样品盛放单元中产生的气体。

9、可选地，所述仲氢进气通道沿仲氢通入方向依次设置有第一压力调节阀、第一质量流量控制仪、第一球阀、第一气动阀和第一截止阀；

10、所述惰性气体进气通道沿惰性气体通入方向依次设置有第二压力调节阀、第二质量流量控制仪、第二球阀、第二气动阀和第三气动阀；所述排气通道沿排气方向依次设置有第二截止阀和背压阀。

11、可选地，所述脉冲控制系统包括：脉冲线圈、任意波发生器、功率放大器和开关电路；

12、所述任意波发生器与所述主控系统电连接；所述任意波发生器在所述主控系统的指令下，发出与主控系统指令相应波形的脉冲电压；

13、所述任意波发生器、所述功率放大器和所述开关电路依次连接；当所述所述开关电路闭合时，所述脉冲电压经所述功率放大器放大后，经所述开关电路输入所述脉冲线圈；所述脉冲线圈套设在所述样品盛放单元上。

14、可选地，所述脉冲线圈包括三组正交的亥姆霍兹线圈；三组正交的亥姆霍兹线圈分别沿x方向、y方向以及z方向基于所述脉冲电压对所述核磁共振样品施加脉冲。

15、可选地，每组正交的亥姆霍兹线圈同向各绕n匝线圈，且线圈引出的漆包线对绞。

16、可选地，所述脉冲线圈置于磁屏蔽区域内。

17、可选地，所述开关电路包括电磁继电器开关、反向并联的二极管组和电阻；

18、所述电磁继电器开关依次与反向并联的二极管组和所述电阻串联。

19、可选地，所述信号探测系统包括：原子磁力计和贯穿螺线管；

20、所述原子磁力计与所述主控系统电连接；所述贯穿螺线管套设在所述样品盛放单元上；所述原子磁力计与所述贯穿螺线管间具有设定间距。

21、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

22、本发明通过设置脉冲控制系统，可以在超低场核磁共振实验中同时施加多维度的任意波形，同时也极大的消除了脉冲操纵磁场带来的干扰磁噪声对原子磁力计的影响，实现对核自旋体系的高相干控制精度。在具体实现过程中，可以配有多种脉冲序列，以解决超低场核磁共振中的普适量子控制问题，为超低场核磁共振提供了更加精确的操控方法。通过采用仲氢超极化系统、脉冲控制系统、信号探测系统和主控系统在摆脱强磁铁影响的同时，大大提升样品的极化度，进而显著提高原子磁力计的灵敏度。

技术特征：

1.一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于包括：仲氢超极化系统、脉冲控制系统、信号探测系统和主控系统；

2.根据权利要求1所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述仲氢超极化系统包括：仲氢进气通道、惰性气体进气通道和排气通道；

3.根据权利要求2所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述仲氢进气通道沿仲氢通入方向依次设置有第一压力调节阀、第一质量流量控制仪、第一球阀、第一气动阀和第一截止阀；

4.根据权利要求1所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述脉冲控制系统包括：脉冲线圈、任意波发生器、功率放大器和开关电路；

5.根据权利要求4所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述脉冲线圈包括三组正交的亥姆霍兹线圈；三组正交的亥姆霍兹线圈分别沿x方向、y方向以及z方向基于所述脉冲电压对所述核磁共振样品施加脉冲。

6.根据权利要求5所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，每组正交的亥姆霍兹线圈同向各绕n匝线圈，且线圈引出的漆包线对绞。

7.根据权利要求4所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述脉冲线圈置于磁屏蔽区域内。

8.根据权利要求4所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述开关电路包括电磁继电器开关、反向并联的二极管组和电阻；

9.根据权利要求1所述的基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，其特征在于，所述信号探测系统包括：原子磁力计和贯穿螺线管；

技术总结本发明公开一种基于仲氢超极化技术的超低场核磁共振谱仪，涉及利用核磁共振测试领域。本发明通过设置脉冲控制系统，可以在超低场核磁共振实验中同时施加多维度的任意波形，同时也极大的消除了脉冲操纵磁场带来的干扰磁噪声对原子磁力计的影响，实现对核自旋体系的高相干控制精度。在具体实现过程中，可以配有多种脉冲序列，以解决超低场核磁共振中的普适量子控制问题，为超低场核磁共振提供了更加精确的操控方法。通过采用仲氢超极化系统、脉冲控制系统、信号探测系统和主控系统在摆脱强磁铁影响的同时，大大提升样品的极化度，进而显著提高原子磁力计的灵敏度。技术研发人员：彭新华,李庆,周生棒,江敏受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10