[发明专利]一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈

说明书

一种用于低温固相电化学‑核磁共振的低电场鞍型射频线圈，包括鞍型线圈、电场屏蔽层、上托板、下托板、调谐匹配电路板、定位板以及支撑杆。鞍型线圈用于射频激励和信号检测。电场屏蔽层置于马鞍型线圈内部，为圆柱形平行环状电路构成的镂空结构，用于减少射频脉冲在线圈内部产生的电场分量。上托板和下托板分别固定在鞍型线圈上下两端，用于固定电场屏蔽层以及样品管。调谐匹配电路板安装在定位板和上托板之间。定位板安装在整个结构的最上端。整体射频线圈电路和支架结构可置于‑196℃的超低温液氮环境下，实现固相变温核磁共振检测，线圈内部的电场强度大幅度降低，样品所吸收的射频热量显著减少。

技术领域

本发明涉及电化学核磁共振(Electrochemical Nuclear Magnetic Resonance，EC-NMR)联用实验技术，尤其是涉及一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈。

背景技术

常规核磁共振波谱仪探头由线圈、调谐匹配电路及各功能支架组成，实验中探头和样品均处于常温环境。固相低温EC-NMR实验将样品放置在低至液氮温度的超低温环境下，对电化学体系反应过程进行原位监测，获取电化学反应过程中间产物或最终产物的核磁共振信息，从分子水平上揭示电化学反应机理。这一实验过程往往需要累加上千次采样，射频脉冲的持续激发将在样品上产生大量的热能，致使样品实际温度升高，而低温温度检测传感器距离线圈和样品较远，所指示的温度和样品内部的实际温度有偏差，特别是在射频脉冲连续激发的情况下，样品内部的温度会明显高于温度传感器指示的温度。这将产生检测误差，影响反应机理分析等。实验样品的温度会急剧上升，不仅会破坏实验样品的结构，影响实验结果的准确性，而且会缩短样品的寿命。因此射频脉冲在样品中产生的热量是固相低温EC-NMR实验需要克服的重要问题。

核磁共振实验中，样品中的射频场效应通常指的是振荡B₁场产生的扰动。而射频场传播的电场E₁对样品的激发不起作用，常常会被忽略。然而累加实验中射频电磁波中的电场会产生大量的热能。这些热能(即射频电场加在样品上所产生的热量)的产生与线圈和样品的四种物理现象有关联。第一种是导电样品中电荷流动产生的焦耳效应，在这一种情况下，焦耳电流产生的原因主要是发射时射频脉冲在线圈中产生的电流和接收时线圈的涡流(特别是在梯度的快速切换期间)。第二种是在使用振荡电场时，样品内的自由电荷开始运动，发生电阻性损耗。第三种是振荡场中的样品电偶极子相互作用，但是这种相互作用被电偶极子所在的环境所阻碍，并且能量来源于电场(介电损耗)。第四种是自旋产生的磁共振吸收，在室温情况下的NMR实验中，其所产生的热能可以忽略不计，而在低温液氮环境下，该因素会明显增大。

在有关低温固相EC-NMR的各类文献中，射频脉冲产生的热效应影响和所采取措施均未见报道，线圈结构也为螺旋线圈形状。例如：文献“Y.Y.Tong,A.Wieckowski,andE.Oldfield.NMR of Electrocatalysts,J.Phys.Chem.B2002,106,2434-2446”报道了一种用于固相EC-NMR的螺旋线圈电路结构。而常规核磁共振低电场射频线圈产品主要是改进型loop-gap线圈内侧两端各嵌套一个环状导体，例如安捷伦核磁共振波谱仪配置的探头常规氢通道线圈。

低电场线圈的相应文献报道，主要有如下几种：第一种是采用正交线圈设计，外层通常是loop-gap线圈，内层是螺线管线圈，内外两层相互隔离，一般是用在双通道检测中，而且这种设计往往是为了减少样品在¹H频率下的电场。例如：文献“Peter L.Gor’kov,Eduard Y.Chekmeney,and Conggang Li.Using low-E resonators to reduce RFheating in biological samples for static solid-state NMR up to 900MHz,J.Magn.Reson.185(2007)77-93.”报道了该种线圈地设计方法和其实验结果。