1、核磁共振類實驗實驗報告）核磁共振）脈沖核磁共振與核磁共振成像第一部分 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恒磁場作用下對電磁輻射能 的共振吸收現象。 如果共振是由原子核磁矩引起的， 則該粒子系統產生的磁共 振現象稱核磁共振（簡寫作 NMR） ; 如果磁共振是由物質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 磁物質中的磁疇磁矩所產生的磁共振現象，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 細結構而首先提出的。 核磁共振現象是原子核磁矩在外加恒定磁場作

2、用下， 核 磁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，即發生所謂的諧振現象。研究核磁共振有兩種方法： 一是連續波法或稱穩態法， 使用連續的射頻場 （即旋轉磁場）作用到核系統上，觀察到核對頻率的感應信號;另一種是脈沖法，用射頻脈沖作用在核系統上，觀察到核對時間的響應信號。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，技術要求較高。以觀察信號 區分，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，可分為感應法，平衡法，吸收法。測量共振

3、時，核 磁矩吸收射頻場能量而在附近線圈中感應到信號，則為感應法；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 載發生變化的為吸收法。本實驗用連續波吸收法來觀察核磁共振現象。2. 核磁共振的量子力學描述核角動量P由下式描述，(1)p TRI 1）式中,是核自旋磁量子數,可取 0，1/2，1,.對 H核，1=1/2核自旋磁矩與P之間的關系寫成(2)式中,稱為旋磁比e為電子電荷；mp為質子質量；gj為朗德因子以H核為例，式（2）可寫為兩種表達:gj ni(|1)(3)gj2mp(4)式中n 5.050787 10 jt 1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決定Pbm式中m稱為磁量子數，可以取m叩1，（I 1），1核磁矩在B方向上的投影值為(5)(6)b mh mgj n磁矩為的原子核在恒定磁場B中具有的勢能為E B b B gN n m B任何兩個能級之間的能量差則為E gj n B m由選擇定則，m 1時兩能級間才可發生躍遷。對氫核而言，1=1/2，所以磁量子數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 的能級如圖1中（b）所示。加一頻率為v的高頻磁場 B 如果電磁波的能量h與Zeeman能級間隔

5、 相等時，即(7)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際上，實驗樣品是大量核的集合。如果處于高能級上的核數目與處于低 能級上的核數目沒有差別，則在電磁波的激發下，上下能級上的核都要發生躍 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。只有當低能級上的原子核數目大于高能級上的核數目，吸收能量比輻射能量多，這樣才能觀察到核磁共振信號。在熱平衡狀態下，核數目在兩 個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定：NiN2expE

6、kTexpg n n BokT(9)式中N1為低能級上的核數目，N2為高能級上的核數目，E為上下能級間的能量差,k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。當gN nBokT時,上式可以近似寫成N2g n n BokT(10)上式說明，低能級上的核數目比高能級上的核數目略微多一點。對氫核來 說，如果實驗溫度T 300K，外磁場B0 1T，則16.75 10 6Ni10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。所以核磁共振信號非常微弱，檢測如此微 弱的信號，需要高質量的接收器。由

7、式（10）可以看出，溫度越高，粒子差數越小，對觀察核磁共振信號越 不利。外磁場B0越強，粒子差數越大，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 圍內還應高度均勻，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，則樣品內各部分的共振頻率 不同。對某個頻率的電磁波，將只有少數核參與共振，結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、實驗目的1. 了解核磁共振的原理與應用2. 掌握連續波核磁共振的儀器結構和實驗方法3. 測量永久磁鐵

8、掃場的磁感應強度和旋磁比、實驗原理Bo觀察核磁共振現象需要：均勻磁場角頻率為3的旋轉磁場B1滿足：Bo B1（11）(12)Bog J N旋磁比h對于H核，2734gJ 5.585, N 5.508 10 J/T,h 1.0546 10 J gs可得丫 =267.52MHz/T因此由（12）式得B022.349 10（ 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Bo連續變化并通過共振區，當滿足（12）式時出現共振吸收峰。掃場電流頻率為50Hz,對應掃場磁場B BmSin1°0 t則疊加的磁場B B° Bm sin100 t（化）滿足共振條件時，可觀察

9、到 NMR言號。掃場通過共振區的時間遠大于弛豫時間，滿足布洛赫穩態條件，示波器上可觀察到穩態共振吸收信號；反之，就觀察到帶尾波的共振吸收信號。、實驗儀器NMR實驗裝置，如圖2圖2四、實驗數據及處理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v0B=Bm時，上述等距吸收峰兩個合并為一個，記頻率vm則由（13）式可計算相應的B0, Bm表1 H核的B0，Bm的計算樣品v 0(MHZv m(MHZB0 (T)Bm( T)CuS溶液21.94321.9820.5154410.516357FeCI3溶液21.94021.9770.5153710.516240H

10、F溶液21.94021.9820.5153710.516357丙二醇21.94021.9790.5153710.516287水21.93821.9770.5153240.516240Mn SO溶液21.93921.9740.5153470.516169平均21.94021.9790.5153710.516275(T (B0)/T3.58816E-05(T (Bm)/T6.74699E-052. F核旋磁比的測量由式（12）可得，1 12 2則在HF溶液中，以H核為標準，可得F核的旋磁比丫 2表2 F核旋磁比的計算v 0 (MHZY( MHz/T)H核21.940267.52F核20.63325

11、1.58五、結論和思考1.結論H 核:B0 515.371mTBm 516.275mT2.思考1）掃場和旋轉磁場在實驗中的作用旋轉磁場：使發生核磁共振掃場：使總磁場在一個范圍內變化，讓更多的核發生共振，從而便于觀 察到核磁共振第三部分 核磁共振成像實驗、實驗目的1. 了解儀器結構，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 度磁場各個參數對成像的影響、實驗原理原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產生磁矩。 當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。以質子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本 狀態：

12、取向“平行”和“反向平行”，他們分別對應于低能和高能狀態。 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B。 這樣，雙極磁體開始環繞磁場進動。進動的頻率取決于磁場強度。也與 原子核類型有關。它們之間的關系滿足拉莫爾關系：30=Y B0,即進動角頻率3 0是磁場強度B0與磁旋比丫的積。丫是每種核素的一個基本物 理常數。氫的主要同位素，質子，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 生核磁共振信號。在大量氫核中，約有一半略多一點處于

13、低等狀態。可 以證明，處于兩種基本能量狀態核子之間存在動態平衡，平衡狀態由磁 場和溫度決定。當從較低能量狀態向較高能量狀態躍遷的核子數等于從 較高能量狀態到較低能量狀態的核子數時，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 基本能量狀態間磁場能量的差值，就能使磁矩從能量較低的“平行”狀 態跳到能量較高“反向平行”狀態，就發生共振。由于向磁矩施加拉莫頻率的能量能使磁矩發生共振，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，即經射頻場的力

14、迫使宏觀磁化向量環繞它作進動。如果各持 續時間能使宏觀磁化向量旋轉 90o 角，他就落在與靜磁場垂直的平面 內。可產生橫向磁化向量 Mxy。如果在這橫向平面內放置一個接收線圈， 該線圈就能切割磁力線產生感生電壓。 當射頻磁場B1撤除后，宏觀磁化 向量經受靜磁場作用，就環繞它進動，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，它以特征時間常數衰減至零為此，它感生的電壓幅度也隨時間 衰減，表現為阻尼振蕩，這種信號就稱為自由感應衰減信號 (FID, Free In duction 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。而要得到同時投影在 二個坐標軸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重復這一