连续与脉冲核磁共振

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1、连续与脉冲核磁共振日期：2011/5/2指导老师：熊昌民【摘要】本实验利用连续核磁共振谱仪测量了浓度为0.05%、0.5%、1%的CuSO4水溶液的共振信号，并估算样品的横向弛豫时间；同时利用核磁共振仪采用90-180双脉冲自旋回波法测量其横向弛豫时间。两种方法都能观察到核磁共振现象，并且随着CuSO浓度增加，其横向弛豫时间逐渐减小。【关键词】核磁共振连续核磁共振波谱仪脉冲波谱仪自旋回波法横向弛豫时间【引言】核磁共振技术（NMR）是由布洛赫（FelixBloch）和玻赛尔(EdwardPurcell)于1945年分别独立的发明的，大大提高了核磁矩测量的精度，从发现核磁共振现象而

2、产生的连续波核磁共振技术，到70年代初提出的脉冲傅里叶变换（PFT）技术和后来的核磁共振成像，在核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔物理学家。NBR不仅是一种直接而准确的测量原子核磁矩的方法，而且已成为研究物质微观结构的工具，如研究有机大分子结构，精确测量磁场及固体物质的结构相变，另外还成为了检查人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗传学等领域都有重要应用。本实验以水中的氢核为主要对象，通过用了两种方法测量不同浓度的溶液的横向弛豫时间，来掌握核磁共振技术的基本原理和观测方法。【实验原理】1.核磁共振的量子力学描述当原子核置于外磁场B中，由于核磁矩与外磁场的相互作用使得原子核获

3、得附加能量,即E=-μI∙B=μZB=-mIγℏB（1）其中μI为核磁矩，γ为旋磁比,γ=μIP。在磁能级分裂后，相邻两个磁能级间的能量差∆E=γℏB=ℏω。遵守磁能级之间跃迁的量子力学选择定则，若在垂直于B的平面内加上一个射频磁场，当f=γB2π时，处于较低能态的核会吸收电磁辐射的能量而跃迁到较高能态，即核磁共振。1.核磁共振的宏观理论在外磁场中核磁矩的取向量子化基础上，布洛赫利用法拉第电磁感应理论，建立了著名的布洛赫方程，用经典力学的观点系统地描述了核磁共振现象。有角动量和磁矩的粒子在外磁场中受到力矩的作用，其运动方程为(2)将（2）式代入上式，得(3)当磁矩在外加静磁场（

4、沿z轴方向）中，若令，对式（3）进行求解得（4）其中θ为与B0间的夹角，可知微观磁矩绕静磁场进动，进动角频率即拉摩尔频率，在x-y平面上的投影和在z轴方向的投影均为常数。如图1（a）所示。除了在z轴方向加静磁场外，再在x-y平面内加一个以旋转的变化磁场，则在静止的转动坐标系中以的角频率绕进动，沿方向的分量不变。即的端点在以为半径的球面上作往复螺旋运动。如图1（b）所示。实际的样品是由大量磁矩构成的复杂系统，并与周围物质有一定的相互作用。又由于磁矩及其在磁场中的取值是量子化的。单位体积中微观磁矩矢量之和称为磁化强度，用表示。(5)在外场中，磁化强度受到力矩的作用，其运动方程为(6

5、)即以的角频率绕进动。1.弛豫过程弛豫过程是指系统非热平衡状态向热平衡状态的过渡的过程。弛豫过程使得核系统能够连续地吸收辐射场的能量，产生持续的核磁共振信号。系统在射频场作用下，磁化强度的横向分量M⊥不为0，失去作用后向平衡态的相位无关演化，即向M⊥(Mx,My)为零演化的过程称作横向弛豫，又称自旋-自旋弛豫过程。其特征时间用T2表示，称为横向弛豫时间。横向弛豫过程可表示为：（7）原子核系统吸收射频场能量之后，处于高能态的粒子数目增多，使得Mz

6、量趋于热平衡的，满足（8）2.布洛赫方程布洛赫假设磁场和核自旋体系的自发弛豫两者独立地堆宏观磁化强度发生作用，从而导出了布洛赫方程2(9)其中i、j、k是x、y、z方向上的单位矢量。建立轴与z轴重合、轴与转动磁场重合且固连的转动坐标系，如图2所示。为在垂直于恒定磁场的平面内的分量，和分别为在轴和轴方向上的分量。则布洛赫方程的稳态解为（10）其中,u和v分别称为色散信号和吸收信号。当旋转磁场的角频率等于在磁场中进动的角频率时，吸收最强，即出现共振吸收。1.连续核磁共振1)射频展宽和饱和展宽由方程组解（10）的第二式可知，当射频场很小时，使得分母中第三项≪1，共振吸收峰的半高宽为(

7、11)当从最小值逐渐增大时，共振吸收峰随之增大，当=1时，取最大值，此时信号刚刚饱和，共振峰的半高宽达到(12)这种射频场引起的谱线展宽称为射频展宽。当继续增大，饱和程度随之增加，吸收峰迅速展宽，线性离开洛伦兹型，称为饱和展宽。继续增大则共振信号因过分展宽而消失。2)通过条件与尾波实验中，若扫描速度过快，不满足慢通过条件，则当已经远离共振频率时，还处于非热平衡状态，继续绕磁场进动，但的进动与旋转的速度不同，和间的相对运动行成拍频。共振信号是一个衰减振荡，可表示为(13)幅度按指数规律衰减。只