CN200965510Y - 一种连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其特征在于，由碱金属蒸发器和激光泵浦室组成；其中，碱金属蒸发器为一内部放置有碱金属的石英密封管，该石英密封管的一端连接样品处理气体阀，另一端连接一激光泵浦室；该激光泵浦室为一石英密封管，其一端通过一冷凝管连接至核磁共振仪的核磁探头；石英密封管外部套设一加热套，该加热套与温控仪连接；激光泵浦室与一激光器相连接。本实用新型提供的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，适于催化材料孔结构与催化过程研究，利用激光泵浦超极化氙技术，可以实现原位在线的129Xe核磁共振实验。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种原位连续流动的激光泵浦超极化129Xe气体发生和固体核磁共振仪器原位在线样品处理一体化装置。
背景技术
催化材料的研究，离不开先进的材料测试表征手段。氙吸附核磁共振是测量催化孔材料的结构及性质的重要方法。常规的129Xe吸附核磁共振测量技术需要将中微孔材料加热或者在某些气体条件下吹扫使其在原孔道中吸附的气体被“赶”出来，然后再使其附一种惰性气体氙，进行核磁共振检测。通过在各种不同吸附条件下吸附不同数量的氙原子，观测氙原子与孔道周围环境的相互作用的变化情况，从而得到结构信息。实验可以得到材料孔的大小和结构的变化情况，材料中阳离子在孔道中的分布情况，改性物质在分子筛中的落位情况；对材料的认识以及进一步对材料改性提供帮助，尤其对目前研究很热门的纳米催化材料研究有很大的促进作用。但是常规129Xe吸附核磁共振测量方法有其显著的弱点，测量费时费力，要求相应的实验设备，通常需要有高真空样品处理系统。
激光诱导超极化129Xe吸附核磁共振方法探测固体物质的微观结构是近些年发展起来的先进技术。用化学惰性的129Xe作为探针探测具有孔结构的物质，为研究孔结构、金属原子及金属原子簇与孔的相互作用、各种有机和无机物在孔中的吸附等提供了更加方便和可靠的手段。
激光泵浦碱金属原子，在特定波长激光的激发下使其电子高度自旋极化，而极化的碱金属原子与氙原子碰撞，发生自旋交换，因而氙原子核自旋极化，激光极化的增强效率达到很高，增强约几个数量级。Ito T.等人(JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 76：52251982)，Haake M.等人(J.Am.Chem.Soc.，119(48)，11711-11712，)也曾建立了激光泵浦超极化129Xe气体装置。在国内武汉物理研究所也曾建立了与他们类似的装置。从国内外的文献报道来看，还未发现有核磁共振探头内原位样品处理和激光泵浦超极化129Xe气体一体化装置的实现。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置。
本实用新型适用于中微孔固体催化材料的孔道结构、粒子分布、电子性质的测试，也适用于反应过程的监测和生物活体的磁共振成像等。
为实现上述目的，本实用新型提供的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，由碱金属蒸发器和激光泵浦室组成；其中，碱金属蒸发器为一内部放置有碱金属的石英密封管，该石英密封管的一端连接样品处理气体阀，另一端连接一激光泵浦室；该激光泵浦室为一石英密封管，其一端通过一冷凝管连接至核磁共振仪的核磁探头；
石英密封管外部套设一加热套，该加热套与温控仪连接；
激光泵浦室与一激光器相连接。
所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其中加热套为电加热套。
所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，，其中碱金属蒸发器和激光泵浦室之间连接有石英毛细管。
所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其中石英密封管与样品处理气体阀之间、激光泵浦室与冷凝管之间、以及冷凝管与核磁共振仪核磁探头之间连接有铜阀门。
概括地说，本实用新型是用于核磁共振检测仪器的原位在线激光泵浦超极化129Xe气体发生和固体核磁共振仪器原位在线催化样品处理装置，其具有一个特殊结构的可以放置在超导核磁共振仪器附近利用其周围磁场的碱金属蒸发器和激光泵浦室，原位产生超极化129Xe气体，用于样品的超极化129Xe气体检测试验；及可以在实验过程中交替进行的样品在线处理功能。
本实用新型具有如下优点：
1)可直接与核磁探头相连，在连续流动条件下实现催化样品在核磁共振探头内原位在线处理与在线检测，处理包括，催化剂的脱水与脱气，催化剂的氧化还原处理等；
2)可以与其他分子共吸附，进行吸附与扩散行为的研究，监测催化反应过程等；
3)碱金属室温度变化范围宽，相应可以产生不同量的金属蒸气，适合不同条件的气体流速，在不同的动态实验条件下进行研究，满足不同的需要；
4)装置无磁性物质，可以在强磁场条件下的磁体附近放置，可以使得极化的氙尽早到达样品进行测试；
5)特殊设计的石英激光泵浦室能够使得大流速的氙气体被极化；
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2和图3为利用本实用新型所获得的效果示意图。
具体实施方式
本实用新型提供的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，适于催化材料孔结构与催化过程研究，利用激光泵浦超极化氙技术，可以实现原位在线的129Xe核磁共振实验。
请结合图1，先介绍本实用新型提供的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置的结构。
本实用新型由碱金属蒸发器1和激光泵浦室2组成，两者之间通过毛细管连接。其中，碱金属蒸发器1为一内部放置有碱金属的石英密封管3和外总套设的加热套4组成，该加热套4可采用电热丝加热，与温控仪5连接并由温控仪5控制加热湿度。该石英密封管3的一端可以通过质量流量计6和压力表7与连接样品处理气体阀V2连接，质量流量计6和压力表7的作用为控制样品处理气体的流量(为一公知技术，在此不作详细介绍)。该石英密封管3的另一端连接一激光泵浦室2；该激光泵浦室2为一石英密封管，其一端通过一冷凝管8连接至核磁共振仪11的核磁探头。激光泵浦室2与一激光器9相连接，并受该激光器9发出的激光照射。
激光泵浦碱金属原子，在特定波长激光的激发下使其电子高度自旋极化，而极化的碱金属原子与氙原子碰撞，发生自旋交换，因而氙原子核自旋极化，激光极化的增强效率达到很高，增强约几个数量级。使得129Xe核磁共振检测效率大幅提高，因而使得原位在线流动检测成为可能。由于核磁共振仪器周围具有很强的磁场，使其原位在线进行样品的测试很困难，本实用新型的激光泵浦原位Xe极化技术，使得原位在线样品测量成为可能。
本实用新型在使用时，先按公知技术，将待检测的样品放置于核磁共振仪器探头内(公知技术，图中未示)；预先配置好的样品处理气体S2经阀门V2，通过质量流量计6对其流量进行精确控制，再经阀V7直接进入样品，对样品进行原位在线处理，该设计对于象分子筛和催化剂这样的测试是非常必要的。
处理过的样品通过另一条线以进行实时原位在线的129Xe检测。一定比例的氙气混合气经阀V1进入气体净化器10，经过高效脱氧脱水，经阀V3，通过质量流量计进行混合气体的精确流量控制，经阀V4进入碱金属蒸发器，再进入激光泵浦室，激光泵浦碱金属使之电子高度自旋极化，与氙原子自旋交换，使得氙原子核自旋极化；经阀V5通过碱金属冷凝管再经针形调节阀V6后即得到需要的高度极化的氙气原子。
本实用新型配备的阀门材料均为铜质材料阀门，装置对超导磁体的磁场没有影响，所以整套装置可以尽量靠近核磁共振仪器的超导磁体，有效防止了激光诱导超极化氙原子的极化度的下降。
通过应用本实用新型的原位在线样品处理和激光泵浦超极化129Xe气体发生一体化装置，使得用129Xe吸附方法对固体催化材料的检测实验周期大大缩短，真正实现固体催化样品原位在线核磁共振实验，对材料，尤其是催化孔材料的研究提供了很大的便利；对催化过程和催化机理方面的研究也提供了方法学上的可能性。
具体实施效果见以下实施例。
激光诱导超极化129Xe NMR技术能够很好的表征微孔材料的性质。下面选两个说明本实用新型效果的实施例。
实施例1、ZSM-11分子筛激光诱导超极化129Xe的NMR实验研究
请结合图2。ZSM-11是MEL结构的微孔沸石，由椭圆形十元环二维直孔道(0.51*0.55nm)相交而成。在连续流动的超极化氙核磁共振条件下，温度为室温，采样次数为一次，即可得到很好信噪比的谱图，而传统的、不通过激光泵浦的热平衡状态下的氙核磁共振谱图的信噪比很差，经过1000次采集，得到的微孔吸附信号(110ppm处)仍然很弱，远不及超极化条件下的一次采集结果。可见，超极化技术的引入，大大地增强了信号的灵敏度，同时也缩短了采样时间。超极化氙可以探测样品中不同的孔结构，不同类型的孔，将给出不同的吸附氙的化学位移值。这对于材料孔结构的表征是很重要的。
实施例2、几种分子筛的超极化129Xe NMR共振实验
请结合图3。分子筛材料，一般孔径小于1nm，作为催化材料有着重要的应用。而最近发展的有序介孔材料，由于孔径在2-50nm之间，有利于大分子的吸附与反应，也有着重要的应用前景。无论是对微孔分子筛还是介孔材料，超极化氙都有很好的灵敏度。在气体流量为200-600scc/min，采样次数为200次条件下，介孔SBA-15，微孔ZSM-35、ZSM-5以及ZSM-5与SBA-15的机械混合物的超极化氙核磁共振谱见图3示。高场(右边)信号很强，是气相的信号，吸附在孔道里的信号在低场(左边)。对于含有十元环和八元环两种孔道的微孔ZSM-35分子筛，可以得到氙在不同结构的孔道内吸附的信息。图3中NaZSM-35的信号，在高场处的(100ppm)对应于氙在十元环内孔道内的吸附，低场对应于在八元环孔道内的吸附(150ppm)，从强度来看，常温下以在十元环孔道内的吸附为主。对于具有二维交叉正弦孔道微孔ZSM-5分子筛以及具有规整的介孔的SBA-15材料，它们的谱图上只有单一的信号。对于二者的机械混合物，谱图上将给出氙在微孔(ZSM-5中的微孔)和介孔(SBA-15中的介孔)内的吸附的信息。由上可见超极化氙是表征多孔材料的有力工具。
Claims (4)
1、一种连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其特征在于，由碱金属蒸发器和激光泵浦室组成；其中，碱金属蒸发器为一内部放置有碱金属的石英密封管，该石英密封管的一端连接样品处理气体阀，另一端连接一激光泵浦室；该激光泵浦室为一石英密封管，其一端通过一冷凝管连接至核磁共振仪的核磁探头；
石英密封管外部套设一加热套，该加热套与温控仪连接；
激光泵浦室与一激光器相连接。
2、如权利要求1所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其特征在于，其中加热套为电加热套。
3、如权利要求1所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其特征在于，其中碱金属蒸发器和激光泵浦室之间连接有石英毛细管。
4、如权利要求1所述的连续流动超极化氙气体发生及样品原位处理装置，其特征在于，其中石英密封管与样品处理气体阀之间、激光泵浦室与冷凝管之间、以及冷凝管与核磁共振仪核磁探头之间连接有铜阀门。
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