小体积、大功能

高清晰度核磁共振(NMR)光谱测定是精确测定分子结构和分子动力学的最权威的分析工具之一。要获得较高的清晰度,需要有较强的磁场,这可以通过超导电磁体产生。今天,Federico Casanova及其在亚琛(德国)的合作伙伴研发了一种轻质的永磁体,这种永磁体适于NMR,并可以完全掌控在你的手中。随着研究人员最新研究成果的发表,这可能为开发便携式高清晰度NMR仪器的奠定基础。

20世纪60年代和70年代,NMR光谱分析仪使用的永磁体的体积并不像今天所使用的超导磁体那么大。有了现代的经过改良的永磁体,理论上可制造出便利耐用的设备。这就使获得具有使用标准尺寸的超导磁体所获得的敏感度的三分之一的NMR光谱成为可能。“这可能是小型便携式NMR系统的可接受设备。” Casanova说,“然而,这里存在一个问题:由于磁体变小了,均匀(均一)磁场也减少了,使得可容许的样品的体积也更小。而减小样品体积将会影响信噪比。”

今天,来自德国亚琛的研究小组已经研发出了一种小型的永磁体,其重量仅有500g,通常情况下具有均匀的磁场,允许使用标准尺寸的NMR管。他们的成功源于海尔贝克(Halbach)阵列:许多单个磁块会聚合成一个圆柱,这样其磁化方向也会变得一致从而在圆柱体内形成特别均匀的磁场。研究人员将三个海尔贝克环连接在一起,对这些海尔贝克环的直径进行优化以便补偿圆柱形内腔中的磁场畸变。通过这种方法在圆柱体内形成了足够大的均匀磁场,足以容纳标准的NMR管。要使磁性材料粒度产生的非均匀性变得均匀,每个海尔贝克环由梯形的磁块组成,相互之间有间隔。磁块之间的间隙是矩形磁块,可以径向移开以便机械地调整(“填隙片”)磁场。

“我们获得的光谱显示,我们的微型磁体适于使用标准尺寸采样管的高清晰度NMR光谱测定。” Casanova称,“这可以很方便地与光谱测定仪一同携带。这可允许将高清晰度NMR光谱测定发展成为一种便携的分析技术以便用于该领域的样品中。”

E. Danieli et al., Angew. Chem. Int. Ed.; DOI: 10.1002/anie.201000221.