核磁共振实验报告--近代物理实验.docx

完整word版）核磁共振实验报告--近代物理实验 核磁共振实验报告姓名:牟蓉 学号：201011141054日期：201311指导老师：王海燕摘要本实验利用连续核磁共振谱仪测量了不同浓度的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CuSO4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一、引言核磁共振技术（NMR）是由布洛赫（Felix Bloch）和玻赛尔（Edward Purcell）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二实验原理1. 核磁共振的量子力学描述当原子核置于外磁场I中，由于核磁矩与外磁场的相互作用使得原子核获得附加能量，即I； !. ；「 !•:. fE （ 1）其中I'为核磁矩广为旋磁比广 \在磁能级分裂后，相邻两个磁能级间的能量差-」二膈遵守磁能级之间跃迁的量子力学选择定则，. . . . …若在垂直于《的平面内加上一个射频磁场，当f二，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.2. 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P和磁矩P的粒子在外磁场B中受到力矩L = ^xB的作用，其运动方程为（2）dP—=L = jTx B dt将（2）式代入上式，得d 口dt=ypx B或恒定外顷 住凌化谴场图1 E在外加磁场巾的遂动静磁场进动，进动平面上的投影口 1所示—y平面内加一个 静止的转动坐标系 向的分量不变。

即当磁矩在外加静磁场B （沿z轴方向）中若令％』B°|，对式（3）进行求解得4 = (扪冲 +『)",=兴sin5cos(^o； + 七（4）其中「为P与％间的夹角，可知微观磁矩P绕 角频率即拉摩尔频率气 小B"在x—y 和在z轴方向的投影四均为常数如图1（a）除了在2轴方向加静磁场B夕卜，再在x 0以3 =tB旋转的变化磁场B，则"在B o o i o中以巴=|y B1I的角频率绕B1进动，“沿B1方"的端点在以四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m表示5)在外场b牝磁化强度受到力矩M x b的作用，其运动方程为dMdt=y M x B0（6）即M以%印B0I的角频率绕B0进动3. 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、不为0,失去作用后向平衡态的相位无关演化，即向‘1叫， ■-为零演化的过程称作横向弛豫，又称自旋一自旋弛豫过程其特征时间用「表示，称为横向弛豫时间。

横向 弓也豫过程可表示为：dM __M dM _JM~dT~ T， dt — ' （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

当旋转磁场B1的角频率①等于M在磁场百中进动的角频率①0时，吸收最强，即出现共振吸收5. 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B很小时，使得分母中第三项籍〈72 =y2b；t?2 «1，共振吸 收峰的半高宽为（11）2 1A3 = —， Af =——T 兀T当B1从最小值逐渐增大时，共振吸收峰随之增大，当y 2BTT2 =1时，v取最大值，此时信号刚刚饱和，共振峰的半高宽达到A 2克心 <2(12)△3 = , Af =——T 兀T2 2这种射频场引起的谱线展宽称为射频展宽.当B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B继续增大1 1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3已经远离共振频率时，M还处于非热平衡状态，继续绕磁场进动，但M的进动与B旋转的速度不同，M和B间的相对运动行成拍频共振信号V是一个衰减振 1 1荡，可表示为v(t) = v(0)exp( - — )cos(3 -3)t + 中0（完整word版）核磁共振实验报告--近代物理实验 幅度按指数规律衰减。

只要测出从峰位到尾波包络降为峰高的［处的宽度，就能估算出表观横向弛豫时间T;. 表观弛豫时间是因为夕卜磁场的不均匀性使测到的弛豫时间T*小于实际的弛豫时间「.26. 脉冲核磁共振1）工作原理在求解布洛赫方程的稳态解过程中引入一个角频率为：- 的旋转坐标系中，设某时刻，在垂直于方 向上施加一射频磁脉冲万 1，其脉冲宽度满足上上*允.在施加脉冲前，M处在热平衡状态，方向与Z轴 重合；施加脉冲后，M以角频率Y气绕X'轴进动.M转过的角度0 =YBtp称作倾倒角（如图1（a）所示永冲 宽度恰好使0 = 90或0 =180称这种脉冲为90°或180°脉冲.2）自旋回波法测量横向弛豫时间自旋回波是一个利用双脉冲或多个脉冲来观察核磁共振信号的方法，它可以排除磁场非均匀性的影响， 测出横向弛豫时间「先在样品上加一个90°的射频脉冲，经过，时间后再施加一个180°的射频脉冲，这些脉冲序列的宽度t和脉距T应满足下列条件：(14)3所示在90°射频脉冲 号）；在180°射频脉冲 —个"回波”信号由于 起的，故称为自旋回波'尊T］马,190」-180脉冲序列的作用结果如图 后即观察到FID信号（自由感应衰减信 作用后，对应于初始时刻2」处可以观察到 是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引自旋回波的产生过程如图4所示,（a ）中体磁化强度M在90°射频'脉冲的作用下绕X'轴转到y'轴上;（b） 中脉冲消失后，核磁矩自由进动，受B0不均匀的影响，样品中磁矩的进动频率不同，使磁矩相位分散并呈扇 形展开；（c）中180°射频脉冲的作用使磁化强度的各个分量绕X'轴翻转180°，并继续按原来的转动方向转动；（d）中t = 2」时刻，恰好各磁化强度分量刚好汇聚到-y'轴上，形成自旋回波；（e）中t > 2」后，磁化强度各个矢量继续转动而又呈扇形展开。

a) (b) (c) (d) (e)图4 | '自旋回波形成的矢量图解三，实验装置及内容装■:本实验主要用到连续核磁共振波谱仪、脉冲核磁共振谱仪等连续核磁共振波谱仪如图5所示，主要由永磁头、探头、射频边限振荡器和示波器组成.磁铁提供样品核能级塞曼分裂所需要的恒定磁场B，探头由射频振荡线圈（L）、调场线圈（Lm和Lm’） 0和样品组成工作时，射频边限振荡器对射频振荡线圈L输出的射频场B与B垂直射频信号经检波、低频放大后，用示波器显示 1 0振荡幅度的变化核磁共振谱仪脉冲核磁共振仪的结构简图如图6所示，主要由永磁铁、匀场线圈、射频脉冲发生器、射频探头和信号 采集系统组成图6脉冲核磁共振仪的结构简内容:图6脉）冲核磁共振仪的结构简图① 用连续核磁共振谱仪分别测量0.05%、0.5%和1%的CuS1水溶液的共振信号大小按图5安放好各实验仪器，调出共振波形，记录波形，并估计样品的表观横向弛豫T2*② 用脉冲核磁共振仪用自旋回波法分别测量浓度为005%、05%、1%和5%的CuS叫水溶液的横向弛豫时间T2、实验数据及结果分析实验测得共振频率为2.01755*10人7Hz，同时实验给出B0=4697GS=0。

4697T ,扫场频率为50Hz1. 连续核磁共振实验中，分析横向弛豫时间T2※与样品浓度的关系 表1表观横向弛豫时间t2※随浓度变化表样品浓度(%)0.050515Y0(V)7609.04784Y(V)2281.162561.28X0(ms)3602.443.24308X ( ms)120T2(ms)0.280.280.24024弓※(ms)0.240210.21由图表可得随着样品浓度的不断增大，表观横向弛豫时间总体呈减小趋势，但是变化并不明显.且由于共 振信号估算弛豫时间，误差较大2、分析脉冲核磁共振实验中，弛豫时间T2与样品浓度的关系表2弛豫时间T2随样品浓度变化表浓度(%)T2(ms)弓※(ms)00575159.45.40.24010.4 205 2136850.7在脉冲核磁共振实验中，如表2所示，横向弛豫时间T2基本随样品浓度增大而减小，样品浓度为5%的 横向弛豫时间无法测量，这是因为5%CuSO4溶液的横向弛豫时间太短，不能够满足tp〈〈T1、T2的条件， 因此观察不到回波，它的横向弛豫时间就无法测量由此可见，对于较高浓度的溶液，脉冲核磁共振不适用分析:两种不同方法得到的随CuSO4溶液浓度增加T2减少。

原因在于顺磁性的CU2+离子与核自旋有较 强的相互作用，使样品中局部磁场增大，磁矩更易恢复到平衡状态，所以横向弛豫时间随着顺磁离子浓度的升 高而缩。