核磁共振類實驗實驗報告

1、核磁共振類實驗實驗報告（一）核磁共振（二）脈沖核磁共振與核磁共振成像學(xué)習(xí)參考第一部分核磁共振基本原理1 .核磁共振磁共振是指磁矩不為零的原子或原子核在穩(wěn)恒磁場作用下對電磁輻射能的共振吸收現(xiàn)象。如果共振是由原子核磁矩引起的，則該粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的磁共振現(xiàn)象稱核磁共振（簡寫作NMR）;如果磁共振是由物質(zhì)原子中的電子自旋磁矩提供的，則稱電子自旋共振（簡寫ESR），亦稱順磁共振（寫彳EPR）;而由鐵磁物質(zhì)中的磁疇磁矩所產(chǎn)生的磁共振現(xiàn)象，則稱鐵磁共振（簡寫為FMR）。原子核磁矩與自旋的概念是1924年泡利（Pauli）為研究原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)而首先提出的。核磁共振現(xiàn)象是原子核磁矩在外加恒定磁場作用下，核磁

2、矩繞此磁場作拉莫爾進動，若在垂直于外磁場的方向上是加一交變電磁場，當(dāng)此交變頻率等于核磁矩繞外場拉莫爾進動頻率時，原子核吸收射頻場的能量，躍遷到高能級，即發(fā)生所謂的諧振現(xiàn)象。研究核磁共振有兩種方法：一是連續(xù)波法或稱穩(wěn)態(tài)法，使用連續(xù)的射頻場（即旋轉(zhuǎn)磁場）作用到核系統(tǒng)上，觀察到核對頻率的感應(yīng)信號；另一種是脈沖法，用射頻脈沖作用在核系統(tǒng)上，觀察到核對時間的響應(yīng)信號。脈沖法有較高的靈敏度，測量速度快，但需要快速傅里葉變換，技術(shù)要求較高。以觀察信號區(qū)分，可觀察色散信號或吸收信號。但一般觀察吸收信號，因為比較容易分析理解。從信號的檢測來分，可分為感應(yīng)法，平衡法，吸收法。測量共振時，核磁矩吸收射頻場能量而在附

3、近線圈中感應(yīng)到信號，則為感應(yīng)法；測量由于共振使電橋失去平衡而輸出電壓的即為平衡法；直接測量共振使射頻振蕩線圈中負載發(fā)生變化的為吸收法本實驗用連續(xù)波吸收法來觀察核磁共振現(xiàn)象。2 .核磁共振的量子力學(xué)描述核角動量P由下式描述,P = , I(I 1)一(D式中,是核自旋磁量子數(shù)可取0, 1/2 , 1 ,對H核,I=1/2。核自旋磁矩四與P之間的關(guān)系寫成(2)e:gjo2mp式中,稱為旋磁比e為電子電荷；mp為質(zhì)子質(zhì)量；gj為朗德因子。以H核為例，式（2）可寫為兩種表達：g =gj I(I 1(3)二gJ六p2mp（4）式中八=5050787'10,訂稱為核磁子，是核磁矩的單位。把氫核放入

4、外磁場B,可以取坐標(biāo)軸z方向為B的方向。核的角動量在B方向上的投影值由下式?jīng)Q定Pb=m式中m稱為磁量子數(shù)，可以取m=I，I一1一HI-1）,-I。核磁矩在B方向上的投影值為與='mh=mgLN（5）磁矩為R的原子核在恒定磁場B中具有的勢能為E=_B=TbB=-gN%mB任何兩個能級之間的能量差則為E=gjNBm（7）由選擇定則，Am=±1時兩能級間才可發(fā)生躍遷。對氫核而言，1=1/2,所以磁量子數(shù)m只能取兩個值，即m=1/2,-1/2。磁矩在外場方向上的投影也只能取兩個值，如圖1中（a）所示，與此相對應(yīng)的能級如圖1中（b）所示。加一頻率為v的高頻磁場B1如果電磁波的能量hv與

5、Zeeman能級間隔相等時，即hv=gj，B（7）或®=七（8）則氫核就會吸收電磁波的能量,由m=1/2的能級躍遷到m=-1/2的能學(xué)習(xí)參考級，這就是核磁共振吸收現(xiàn)象式（7）就是核磁共振條件I級分裂圖1氫修祖Z、Zeeman能緞2答右.圖2-1%核能級在磁場子的分裂實際上，實驗樣品是大量核的集合。如果處于高能級上的核數(shù)目與處于低能級上的核數(shù)目沒有差別，則在電磁波的激發(fā)下，上下能級上的核都要發(fā)生躍遷，并且躍遷幾率是相等的，吸收能量等于輻射能量，我們究觀察不到任何核磁共振信號。只有當(dāng)?shù)湍芗壣系脑雍藬?shù)目大于高能級上的核數(shù)目吸收能量比輻射能量多，這樣才能觀察到核磁共振信號。在熱平衡狀態(tài)下，

6、核數(shù)目在兩個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定(9)學(xué)習(xí)參考式中Ni為低能級上的核數(shù)目,此為高能級上的核數(shù)目,&E為上下能級間的能量差，k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度。當(dāng)gNNNB0"kT時，上式可以近似寫成N1/gN'NB0=1(10)N2kT對氫核上式說明，低能級上的核數(shù)目比高能級上的核數(shù)目略微多一點來說，如果實驗溫度T=300K,外磁場B0=1T,則Ni7 IO-6N2.6-=1-6.7510Ni這說明，在室溫下，每百萬個低能級上的核比高能級上的核大約只多出7個。這就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個核中只有7個核的核磁共振吸收未被共振輻射所抵消。所以

7、核磁共振信號非常微弱，檢測如此微弱的信號，需要高質(zhì)量的接收器。由式（10）可以看出，溫度越高，粒子差數(shù)越小，對觀察核磁共振信號越不利。外磁場B0越強，粒子差數(shù)越大，越有利于觀察核磁共振信號。一般核磁共振實驗要求磁場強一些，其原因就在這里。另外，要想觀察到核磁共振信號，僅僅磁場強一些還不夠，磁場在樣品范圍內(nèi)還應(yīng)高度均勻，否則磁場多么強也觀察不到核磁共振信號。原因之一是，核磁共振信號由式（7）決定，如果磁場不均勻，則樣品內(nèi)各部分的共振頻率不同。對某個頻率的電磁波，將只有少數(shù)核參與共振，結(jié)果信號被噪聲所淹沒，難以觀察到核磁共振信號。第二部分NMR實驗一、實驗?zāi)康? .了解核磁共振的原理與應(yīng)用2 .掌

8、握連續(xù)波核磁共振的儀器結(jié)構(gòu)和實驗方法3 .測量永久磁鐵掃場的磁感應(yīng)強度和旋磁比B。、實驗原理觀察核磁共振現(xiàn)象需要：均勻磁場角頻率為的旋轉(zhuǎn)磁場Bi滿足：B01B1(11)產(chǎn)二舊(12)gJN 旋磁比二一丁對于H核,gJ =5.585,N =5.508 10* J/T, h =1.0546 104js可得產(chǎn)267.52MHz/T因此由（12）式得B0 =2.349 10名(13)式中V的單位為MHz本實驗采用掃場法觀察磁共振信號，固定，讓B0連續(xù)變化并通過共振區(qū)，當(dāng)滿足（12）式時出現(xiàn)共振吸收峰。掃場電流頻率為50Hz,對應(yīng)掃場磁場B=Bmsin100nt則疊加的磁場滿足共振條件時B = B。 B

9、msin100 二 t(14),可觀察到NMR信號。掃場通過共振區(qū)的時間遠大于弛豫時間，滿足布洛赫穩(wěn)態(tài)條件，示波器上可觀察到穩(wěn)態(tài)共振吸收信號；反之，就觀察到帶尾波的共振吸收信號。三、實驗儀器NMR實驗裝置，如圖2圖2四、實驗數(shù)據(jù)及處理1 .對于H核的磁場B0,Bm的測量B=B0時，示波器上共振吸收信號等距,記此時的頻率為WB=Bm時，上述等距吸收峰兩個合并為一個，記頻率m則由（13）式可計算相應(yīng)的B0,Bm表1H核的B0,Bm的計算樣品0(MHz)vm(MHz)B0(T)Bm(T)CuSO4溶液21.94321.9820.5154410.516357FeCl3溶液21.94021.9770.5

10、153710.516240HF溶液21.94021.9820.5153710.516357丙二醇21.94021.9790.5153710.516287水21.93821.9770.5153240.516240MnSO4溶液21.93921.9740.5153470.516169平均21.94021.9790.5153710.516275o(B0)/T3.58816E-05o(Bm)/T6.74699E-052 .F核旋磁比的測量由式（12）可乜=安得,2一2則在HF溶液中，以H核為標(biāo)準(zhǔn)，可得F核的旋磁比修表2F核旋磁比的計算丫0(MHz)TMHz/T)H核21.940267.52F核20.6

11、33251.58五、結(jié)論和思考1 .結(jié)論B0=515.371mTH核：_Bm=516.275mT2 .思考1）掃場和旋轉(zhuǎn)磁場在實驗中的作用旋轉(zhuǎn)磁場：使發(fā)生核磁共振掃場：使總磁場在一個范圍內(nèi)變化，讓更多的核發(fā)生共振，從而便于觀察到核磁共振第三部分核磁共振成像實驗一、實驗?zāi)康?. 了解儀器結(jié)構(gòu)，并掌握儀器和軟件的使用2. 了解二維核磁共振成像原理，對樣品進行二維成像的研究，觀察梯度磁場各個參數(shù)對成像的影響二、實驗原理原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產(chǎn)生磁矩。當(dāng)原子核置于靜磁場中，本來是隨機取向的雙極磁體受磁場力的作用，與磁場作同一取向。以質(zhì)子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本狀

12、態(tài)：取向平行”和反向平行”，他們分別對應(yīng)于低能和高能狀態(tài)。精確分析證明，自旋并不完全與磁場趨向一致，而是傾斜一個角度9。這樣，雙極磁體開始環(huán)繞磁場進動進動的頻率取決于磁場強度也與原子核類型有關(guān)。它們之間的關(guān)系滿足拉莫爾關(guān)系：0=20,即進動角頻率0是磁場強度B0與磁旋比丫的積。W每種核素的一個基本物理常數(shù)。氫的主要同位素，質(zhì)子，在人體中豐度大，而且它的磁矩便于檢測，因此最適宇從它得到核磁共振圖像。從宏觀上看，作進動的磁矩集合中，相位是隨機的。它們的合成取向就形成宏觀磁化，以磁矩M表示。就是這個宏觀磁矩在接收線圈中產(chǎn)生核磁共振信號。在大量氫核中，約有一半略多一點處于低等狀態(tài)?？梢宰C明，處于兩種基

13、本能量狀態(tài)核子之間存在動態(tài)平衡，平衡狀態(tài)由磁場和溫度決定。當(dāng)從較低能量狀態(tài)向較高能量狀態(tài)躍遷的核子數(shù)等于從較高能量狀態(tài)到較低能量狀態(tài)的核子數(shù)時，就達到熱平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫爾頻率的射頻能量，而這個能量等于較高和較低兩種基本能量狀態(tài)間磁場能量的差值，就能使磁矩從能量較低的平行”狀態(tài)跳到能量較高反向平行”狀態(tài)，就發(fā)生共振。由于向磁矩施加拉莫頻率的能量能使磁矩發(fā)生共振，那么使用一個振幅為B1,而且與作進動的自旋同步（共振）的射頻場，當(dāng)射頻磁場B1的作用方向與主磁場B0垂直，可使磁化向量M偏離靜止位置作螺旋運動，或稱章動，即經(jīng)射頻場的力迫使宏觀磁化向量環(huán)繞它作進動。如果各持續(xù)時間能使宏觀磁化

14、向量旋轉(zhuǎn)90o角，他就落在與靜磁場垂直的平面內(nèi)。可產(chǎn)生橫向磁化向量Mxy。如果在這橫向平面內(nèi)放置一個接收線圈，該線圈就能切割磁力線產(chǎn)生感生電壓。當(dāng)射頻磁場B1撤除后，宏觀磁化向量經(jīng)受靜磁場作用，就環(huán)繞它進動，稱為自由進動”。因進動的頻率是拉莫爾頻率所感生的電壓也具有相同頻率由于橫向磁化向量是不恒定，它以特征時間常數(shù)衰減至零為此，它感生的電壓幅度也隨時間衰減，表現(xiàn)為阻尼振蕩，這種信號就稱為自由感應(yīng)衰減信號(FID,FreeInductionDecay)。信號的初始幅度與橫向磁化成正比，而橫向磁化與特定體元的組織中受激勵的核子數(shù)目成正比，于是，在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異。因為拉莫爾頻率與磁場強度成比例，如果磁場沿X軸成梯度改變，得到的共振頻率也顯然與體元在X軸的位置有關(guān)。而要得到同時投影在二個坐標(biāo)軸X-Y上的信號，可以先加上梯度磁場GX,收集和變換得到的信號，再用磁場GY代替GX,重復(fù)這一過程。在實際情況下,信號是從大量空間位置點收集的，信號由許多頻率復(fù)合組成。利用數(shù)學(xué)分析方法，如富里葉變換，就不但能求出各個共振頻率，即相應(yīng)的空間位置，還能求出相應(yīng)的信號振幅，而信號振幅與