1、最新資料推薦核磁共振類實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（一）核磁共振（二）脈沖核磁共振與核磁共振成像1最新資料推薦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 ( 寫作 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(xì)結(jié)構(gòu)而首先提出的。 核磁共振現(xiàn)

2、象是原子核磁矩在外加恒定磁場作用下， 核磁矩繞此磁場作拉莫爾進(jìn)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(jìn)動頻率時(shí)，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(shí)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?yàn)楸容^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

3、收法。測量共振時(shí)，核磁矩吸收射頻場能量而在附近線圈中感應(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(fù)載發(fā)生變化的為吸收法。本實(shí)驗(yàn)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，PI (I1)（1）h式中，22最新資料推薦I 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 與 P 之間的關(guān)系寫成P（ 2）式中，gJe稱為旋磁比2mpe 為電子電荷； m p 為質(zhì)子質(zhì)量； g J 為朗德因子。以 H核為例，式（ 2）可寫為兩種表達(dá)：gJNI (I 1)（3）gJep

4、2mp（4）式中位。N5.050787 10 27 JT1稱為核磁子，是核磁矩的單把氫核放入外磁場 B ，可以取坐標(biāo)軸 z 方向?yàn)?B 的方向。核的角動量在 B 方向上的投影值由下式?jīng)Q定PBm式中 m 稱為磁量子數(shù)，可以取mI , I1, ( I1), I 。核磁矩在 B 方向上的投影值為B mh mgJ N（ 5）磁矩為的原子核在恒定磁場B 中具有的勢能為EBB BgNNm B（6）任何兩個(gè)能級之間的能量差則為Eg JN Bm（7）由選擇定則， m1 時(shí)兩能級間才可發(fā)生躍遷。對氫核而言， I=1/2 ，所以磁量子數(shù) m 只能取兩個(gè)值，即 m=1/2， -1/2 。磁矩在外場方向上的投影也只能

5、取兩個(gè)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 的高頻磁場 B1 ，如果電磁波的能量 h與 Zeeman能級間隔3最新資料推薦相等時(shí)，即hg J N B（7）或B（ ）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 的能級，這就是核磁共振吸收現(xiàn)象。式（ 7）就是核磁共振條件。圖 1 氫核的 Zeeman能級分裂圖 2-1 氫核能級在磁場中的分裂實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)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

6、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，核數(shù)目在兩個(gè)能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定：N1expEg NN B0N 2kTexpkT（9）式中 N1 為低能級上的核數(shù)目， N 2 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) gN N B0kT 時(shí)，上式可以近似寫成N1g NN B0N 21kT（ 10）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(diǎn)。對氫核來說，如果實(shí)驗(yàn)溫度 T300K ，外磁場 B01T ，則N 21 6.75 1

7、0 6N 1 N 27 10 6N 1或N14最新資料推薦這說明，在室溫下，每百萬個(gè)低能級上的核比高能級上的核大約只多出 7 個(gè)。這就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個(gè)核中只有 7 個(gè)核的核磁共振吸收未被共振輻射所抵消。 所以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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)要求磁場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)也觀察不到核磁共振信號

8、。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(gè)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(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解核磁共振的原理與應(yīng)用2. 掌握連續(xù)波核磁共振的儀器結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)方法3. 測量永久磁鐵掃場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和旋磁比二、實(shí)驗(yàn)原理觀察核磁共振現(xiàn)象需要： 均勻磁場B0角頻率為 的旋轉(zhuǎn)磁場 B1滿足： B0B1（11）B0（ 12）旋磁比g JNh對于 H核，g J 5.585, N5.50810 27 J / T , h 1.0546 10 34 J s可得 =267.52MHz/T因此

9、由（ 12）式得B02.349 102（13）式中 的單位為 MHz本實(shí)驗(yàn)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5最新資料推薦振區(qū)，當(dāng)滿足（ 12）式時(shí)出現(xiàn)共振吸收峰。掃場電流頻率為 50Hz，對應(yīng)掃場磁場BBm sin100 t則疊加的磁場B B0Bm sin100t（14）滿足共振條件時(shí)，可觀察到NMR信號。掃場通過共振區(qū)的時(shí)間遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)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(shí)驗(yàn)儀器NMR 實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2圖 2四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1對于 H核的磁場 B0，Bm的測量B=B0 時(shí)，示波器上共振吸收信號等距，記此時(shí)

10、的頻率為 0 B=Bm時(shí)，上述等距吸收峰兩個(gè)合并為一個(gè)，記頻率 m則由（ 13）式可計(jì)算相應(yīng)的B0， Bm表 1 H 核的 B0， Bm的計(jì)算樣品 （MHz） （MHz）B （ T）Bm（ T）0m0CuSO 溶液21.94321.9820.5154410.5163574FeCl3 溶液21.94021.9770.5153710.516240HF溶液21.94021.9820.5153710.516357丙三醇21.94021.9790.5153710.516287水21.93821.9770.5153240.516240MnSO 溶液21.93921.9740.5153470.5161694

11、6最新資料推薦平均21.94021.9790.5153710.516275(B0)/T3.58816E-05(Bm)/T6.74699E-052F 核旋磁比的測量由式（ 12）可得，1 12 2則在 HF溶液中，以 H 核為標(biāo)準(zhǔn)，可得 F 核的旋磁比 2表 2 F 核旋磁比的計(jì)算 0（ MHz） （ MHz/T）H核21.940267.52F 核20.633251.58五、結(jié)論和思考1. 結(jié)論H 核： B0515.371mT Bm 516.275mT2. 思考1) 掃場和旋轉(zhuǎn)磁場在實(shí)驗(yàn)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(gè)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

12、部分核磁共振成像實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?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(jìn)行二維成像的研究，觀察梯度磁場各個(gè)參數(shù)對成像的影響二、實(shí)驗(yàn)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(jī)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(gè)角度。7最新資料推薦這樣，雙極磁體開始環(huán)繞磁場進(jìn)動。進(jìn)動的頻率取決于磁場強(qiáng)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)

13、系： 0=B0，即進(jìn)動角頻率 0 是磁場強(qiáng)度 B0 與磁旋比 的積。 是每種核素的一個(gè)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(jìn)動的磁矩集合中，相位是隨機(jī)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(gè)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(diǎn)處于低等狀態(tài)?？梢宰C明，處于兩種基本能量狀態(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(shí)，就達(dá)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

14、個(gè)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(gè)振幅為 B1，而且與作進(jìn)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(yùn)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(jìn)動。如果各持續(xù)時(shí)間能使宏觀磁化向量旋轉(zhuǎn) 90o角，他就落在與靜磁場垂直的平面內(nèi)?？僧a(chǎn)生橫向磁化向量 Mxy。如果在這橫向平面內(nèi)放置一個(gè)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

15、靜磁場作用，就環(huán)繞它進(jìn)動，稱為“自由進(jìn)動”。因進(jìn)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(shí)間常數(shù)衰減至零為此，它感生的電壓幅度也隨時(shí)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, Free Induction Decay) 。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?yàn)槔獱栴l率與磁場強(qiáng)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(shí)投影在二個(gè)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(shí)際情況下，信號是從大量空間位置點(diǎn)收集的， 信號由許多頻率復(fù)合組成。