裝置概述

氙氣（Xenon）是一種惰性單原子氣體，不易與其它物質發生化學反應。129Xe核自旋量子數為1/2，天然豐度為26.4%，拋開弛豫時間講，129XeNMR核的檢測靈敏度是13C 核的31.8倍，因此它比13C 核更容易觀測。129Xe NMR 技術廣泛應用于研究分子篩催化劑等無機和有機材料的孔結構、客體粒子的分布、催化劑上結炭的位置以及吸附分子在表面的擴散過程等。Xe原子對其周圍環境的敏感性已使129Xe NMR成為分子篩等催化劑結構研究的重要手段之一。

129XeNMR是檢測多孔材料孔結構比較有效和靈敏的手段，超極化技術的采用能極大地提高檢測靈敏度，縮短檢測時間，它能有效的提供孔結構的直接信息和確定其中客體粒子的位置和分布，尤其對少量樣品的檢測、低比表面積材料的孔結構表征和非平衡過程的觀測非常有效。

實驗

利用超極化129Xe探針對ZSM-5結構的多孔材料中的孔結構變化進行研究。研究體系為不同制備和處理方法得到的ZSM-5結構的分子篩，該分子篩體系為3個H-ZSM-5（MFI結構）對比樣品，樣品1為原粉H-ZSM-5樣品，即合成的H-ZSM-5樣品，未經特殊處理，樣品顆粒約40~60目（40~10微米）；樣品2為樣品1的基礎上添加40%的粘結劑，粘結劑為無微孔的粉末材料γ-氧化鋁粉，經過機械混合后擠壓成型為2~3毫米直徑的顆粒狀；樣品3為樣品1直接擠壓成型為2~3毫米直徑的顆粒狀。3個被測試樣經420°C真空脫水20小時，真空度維持在10-4Pa水平。進行超極化129Xe核磁共振測試，測試溫度在-80°C至35°C。129Xe共振頻率為110MHz，脈沖程序為單脈沖程序。

H-ZSM-5是石化工業常用的微孔催化劑材料，其孔道性質是影響工業過程的至關重要的因素之一。常用的孔徑分析儀器如物理吸附儀能夠給出材料的比表面積和孔分布信息，但是對于孔道的微小差異卻無能為力了。而氙氣原子由于其核外電子云極易受到周圍環境的影響，對孔道大小的變化尤其敏感。附圖1為上述3個樣品的超極化129Xe NMR譜圖，從圖中可以發現273K下，未經成型處理的H-ZSM-5樣品1#，其化學位移為~109ppm；經擠壓成型的H-ZSM-5樣品3#其化學位移為~104ppm，且譜峰略有展寬；而物理混合粘結劑的H-ZSM-5樣品2#在104~109ppm范圍內出現了帶有肩峰的雙峰結構，不同的處理條件出現了明顯的差異。在-80°C到35°C范圍內對3個樣品進行研究發現，樣品1#和樣品3#在所有溫度范圍內均表現為一個單一的峰，意味著其孔道結構均是單一的，但是它們之間的孔道體現出了差異。附圖2給出了樣品2#在-30°C到35°C范圍內的譜峰，明顯看出其具有雙峰結構。從譜峰的化學位移分析，這兩個峰均為微孔結構，而氧化鋁通常不會出現微孔結構，意味著該兩種孔道均來自H-ZSM-5的微孔，而我們知道該分子篩只有單一的微孔，而出現兩個峰意味著有兩種不同孔道出現，且兩種孔道是分離的。這個實驗結果對于催化劑的制備具有非常重要的意義。

超極化129氙制備

制備激光極化的惰性氣體一般是通過光學抽運以及極化的電子自旋與核自旋之間的自旋交換完成。我們采用的方法是激光極化堿金屬自旋交換，它能夠在較大的溫度、壓力和磁場強度范圍內獲得高的核自旋極化的氙。金屬銣原子的電子能級在外磁場作用下發生裂分，在激光作用下，電子從低能態躍遷到高能態產生極化態的銣原子（Rb），這種激光極化的銣原子與氙原子的極化轉移將導致氙核磁共振的檢測靈敏度極大的提高。

超極化129氙核磁裝置流程圖

現階段產品

我公司現有超極化129氙產品設備2種：

一種是利用NMR磁體周圍環境磁場，靠近磁體的一款超極化129氙核磁設備，此設備極化后與樣品間傳輸距離短，有效減少去極化，針對實驗室檢測孔材料結構所研發， 流量0-500ml 極化效率能達到10%。

另一種是采用外加勻強磁場線圈，運用擺放位置靈活，極化穩定，極化效率提高，可以有更廣泛的使用領域。

技術參數

工作壓力：0.1-0.4MPa 氣體流路：氙氣混合氣、氦氣、氮氣等

氣體質量流量器：0-500SCCM，0-100SCCM 極化池可控溫度：室溫-200℃

磁場范圍：0-100G 激光器功率：0-120W（根據用戶需求）

計算機控制 （任選）

現階段產品優勢和特點

- 目前超極化129氙核磁裝置已經在實驗室運行使用，采樣多次，已經成為實驗室微孔材料檢測不可或缺的裝置。

- 通道設計，便于靈活運用，與反應氣體連用，可以減少前期銣氣化過程129氙的浪費。

- 采用冷凝裝置，實現氣化銣的冷凝，替代原來的冰袋冷凝

- 可以實現流量和壓力的精準控制

未來展望

超極化的129Xe已被廣泛應用到核物理、高能物理、材料研究、表面科學、化學物理、生物系統、核磁共振成象和核磁共振波譜等領域，并取得很多熱平衡樣品所未能取得的成果，而且目前正在深入醫療學科領域中去。