Development and Applications of a Low-Field Portable NMR System

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  • 日期: 2021-08-31
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标签: NMR






Nuclear  magnetic  resonance  (NMR)  is  a  phenomenon  similar  to  MRIin  which  radio  frequency  signals  are  used  to  excite  and  manipulate  atomicnuclei  within  a  static  magnetic  field.  Following  excitation,  the  nuclei  returnto  equilibrium,  all  the  while  offering  valuable  molecular  level  informationpertaining  to  the  sample.

Within  the  last  decade,  the  development  of  small  and  inexpensive  NMRspectrometers  and  permanent  magnet  NMR  sensors  has  been  a  significantfocus  within  the  NMR  community.  More  recently,  application  scientists  havesought  practical  applications  for  the  new  technologies.

In  this  thesis,  a  prototype  NMR  apparatus  consisting  of  a  spectrometerand  3.2MHz  permanent  magnet  sensor  was  extended  to  enable  scientificmeasurements.  This  involved  developing  radio  frequency  electronic  circuitryfor  the  spectrometer  front-end,  and  electromagnetic  noise  shielding  and  tem-perature  regulation  for  the  magnetic  sensor.  Experimental  results  confirmedthat  repeatable  measurements  using  the  modified  apparatus  were  indeedpossible.

The  NMR  apparatus  was  thereafter  successfully  used  to  study  flow,diffusion  and  kiwifruit  using  several  different  experimental  techniques.  Asignificantly  larger  effort  was  then  expended  upon  the  study  of  T2  relaxation  inpectin  model  systems  using  pH  as  the  adjustable  parameter.  The  fascinatingexperimental  results  were  successfully  interpreted  and  modeled  across  threepH  zones  in  terms  of  a  proton  chemical  exchange  model  and  molecularconformational  changes.  In  addition,  it  was  found  that  pectin  carboxylde-protonation  was  significantly  less  than  expected.  Further  experimentsperformed  upon  galacturonic  acid  monomers,  dimers  and  trimers  appearedto  further  illuminate  the  pectin  results.  Future  experiments  are  planned.

Also  while  studying  pectin  solutions,  an  unexpected  pH-dependent  watertransverse  relaxation  behavior  was  observed  at  both  3.2MHz  and  400MHz.

The  only  references  found  in  the  literature  were  from  a  small  publicationalmost  50  years  ago,  and  a  2011  publication.

Altogether,  this  thesis  contributed  to  original  knowledge  in  several  ways:it  showed  how  a  low-field  apparatus  and  single-sided  sensor  could  be  im-proved  and  utilized  for  a  variety  of  scientific  measurements;  it  showed  bothexperimentally  and  theoretically  how  T2  for  pectin  solutions  change  withpH;  it  revealed  an  unexpected  de-protonation  limit  for  pectin  molecules;  itrevealed  a  T2  pH  dependence  for  water

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