精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：牟蓉學(xué)號(hào)：4日期：2013.4.11指導(dǎo)老師：王海燕摘要本實(shí)驗(yàn)利用連續(xù)核磁共振譜儀測量了不同濃度的CuSO4水溶液的共振信號(hào)，并估算樣品的橫向弛豫時(shí)間；同時(shí)利用核磁共振儀采用90-180雙脈沖自旋回波法測量其橫向弛豫時(shí)間。兩種方法都能觀察到核磁共振現(xiàn)象，并且隨著CuSO濃度增加，其橫向弛豫時(shí)間逐漸減小。關(guān)鍵詞核磁共振連續(xù)核磁共振波譜儀脈沖波譜儀自旋回波法橫向弛豫時(shí)間一、引言核磁共振技術(shù)（NMR）是由布洛赫（FelixBloch）和玻賽爾(EdwardPurcell)于1945年分別獨(dú)立的發(fā)明的，大大提高了核磁矩測量的精度，從發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象而產(chǎn)生的連續(xù)波核磁共振技術(shù)，到70年代初提出的脈沖傅里葉變換（PFT）技術(shù)和后來的核磁共振成像，在核磁共振這一領(lǐng)域中已多次獲得諾貝爾物理學(xué)家。NBR不僅是一種直接而準(zhǔn)確的測量原子核磁矩的方法，而且已成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的工具，如研究有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，精確測量磁場及固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相變，另外還成為了檢查人體病變方面的有力武器，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以水中的氫核為主要對(duì)象，通過用了兩種方法測量不同濃度的溶液的橫向弛豫時(shí)間，來掌握核磁共振技術(shù)的基本原理和觀測方法。二、實(shí)驗(yàn)原理核磁共振的量子力學(xué)描述當(dāng)原子核置于外磁場B中，由于核磁矩與外磁場的相互作用使得原子核獲得附加能量,即E=其中μI為核磁矩，γ為旋磁比,γ在磁能級(jí)分裂后，相鄰兩個(gè)磁能級(jí)間的能量差?E=γ?B=?ω。遵守磁能級(jí)之間核磁共振的宏觀理論在外磁場中核磁矩的取向量子化基礎(chǔ)上，布洛赫利用法拉第電磁感應(yīng)理論，建立了著名的布洛赫方程，用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)系統(tǒng)地描述了核磁共振現(xiàn)象。有角動(dòng)量和磁矩的粒子在外磁場中受到力矩的作用，其運(yùn)動(dòng)方程為(2)將（2）式代入上式，得(3)當(dāng)磁矩在外加靜磁場（沿z軸方向）中，若令，對(duì)式（3）進(jìn)行求解得（4）其中θ為與B0間的夾角，可知微觀磁矩繞靜磁場進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角頻率即拉摩爾頻率，在x-y平面上的投影和在z軸方向的投影均為常數(shù)。如圖1（a）所示。除了在z軸方向加靜磁場外，再在x-y平面內(nèi)加一個(gè)以旋轉(zhuǎn)的變化磁場，則在靜止的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中以的角頻率繞進(jìn)動(dòng)，沿方向的分量不變。即的端點(diǎn)在以為半徑的球面上作往復(fù)螺旋運(yùn)動(dòng)。如圖1（b）所示。實(shí)際的樣品是由大量磁矩構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，并與周圍物質(zhì)有一定的相互作用。又由于磁矩及其在磁場中的取值是量子化的。單位體積中微觀磁矩矢量之和稱為磁化強(qiáng)度，用表示。(5)在外場中，磁化強(qiáng)度受到力矩的作用，其運(yùn)動(dòng)方程為(6)即以的角頻率繞進(jìn)動(dòng)。弛豫過程弛豫過程是指系統(tǒng)非熱平衡狀態(tài)向熱平衡狀態(tài)的過渡的過程。弛豫過程使得核系統(tǒng)能夠連續(xù)地吸收輻射場的能量，產(chǎn)生持續(xù)的核磁共振信號(hào)。系統(tǒng)在射頻場作用下，磁化強(qiáng)度的橫向分量M⊥不為0，失去作用后向平衡態(tài)的相位無關(guān)演化，即向M⊥(Mx（7）原子核系統(tǒng)吸收射頻場能量之后，處于高能態(tài)的粒子數(shù)目增多，使得Mz<Mo,偏離了熱平衡狀態(tài)，但由于熱平衡的作用，使原子核躍遷到低能態(tài)而向熱平衡過渡，稱為縱向弛豫，其特征時(shí)間T1，稱為縱向弛豫時(shí)間。的z分量趨于熱平衡的，滿足（8）布洛赫方程布洛赫假設(shè)磁場和核自旋體系的自發(fā)弛豫兩者獨(dú)立地堆宏觀磁化強(qiáng)度發(fā)生作用，從而導(dǎo)出了布洛赫方程2(9)其中i、j、k建立軸與z軸重合、軸與轉(zhuǎn)動(dòng)磁場重合且固連的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，如圖2所示。為在垂直于恒定磁場的平面內(nèi)的分量，和分別為在軸和軸方向上的分量。則布洛赫方程的穩(wěn)態(tài)解為（10）其中,u和v分別稱為色散信號(hào)和吸收信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率等于在磁場中進(jìn)動(dòng)的角頻率時(shí)，吸收最強(qiáng)，即出現(xiàn)共振吸收。連續(xù)核磁共振射頻展寬和飽和展寬由方程組解（10）的第二式可知，當(dāng)射頻場很小時(shí)，使得分母中第三項(xiàng)?1，共振吸收峰的半高寬為(11)當(dāng)從最小值逐漸增大時(shí)，共振吸收峰隨之增大，當(dāng)=1時(shí)，取最大值，此時(shí)信號(hào)剛剛飽和，共振峰的半高寬達(dá)到(12)這種射頻場引起的譜線展寬稱為射頻展寬。當(dāng)繼續(xù)增大，飽和程度隨之增加，吸收峰迅速展寬，線性離開洛倫茲型，稱為飽和展寬。繼續(xù)增大則共振信號(hào)因過分展寬而消失。通過條件與尾波實(shí)驗(yàn)中，若掃描速度過快，不滿足慢通過條件，則當(dāng)已經(jīng)遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，還處于非熱平衡狀態(tài)，繼續(xù)繞磁場進(jìn)動(dòng)，但的進(jìn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)的速度不同，和間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)行成拍頻。共振信號(hào)是一個(gè)衰減振蕩，可表示為(13)幅度按指數(shù)規(guī)律衰減。只要測出從峰位到尾波包絡(luò)降為峰高的處的寬度，就能估算出表觀橫向弛豫時(shí)間。表觀弛豫時(shí)間是因?yàn)橥獯艌龅牟痪鶆蛐允箿y到的弛豫時(shí)間小于實(shí)際的弛豫時(shí)間T2。脈沖核磁共振工作原理在求解布洛赫方程的穩(wěn)態(tài)解過程中引入一個(gè)角頻率為ω=ω0的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，設(shè)某時(shí)刻，在垂直于B0方向上施加一射頻磁脈沖，其脈沖寬度滿足tp?T1，tp?T2。在施加脈沖前，處在熱平衡狀態(tài)，方向與z軸重合；施加脈沖后，以角頻率繞軸進(jìn)動(dòng)。自旋回波法測量橫向弛豫時(shí)間自旋回波是一個(gè)利用雙脈沖或多個(gè)脈沖來觀察核磁共振信號(hào)的方法，它可以排除磁場非均勻性的影響，測出橫向弛豫時(shí)間T先在樣品上加一個(gè)90°的射頻脈沖，經(jīng)過時(shí)間后再施加一個(gè)180°的射頻脈沖，這些脈沖序列的寬度和脈距應(yīng)滿足下列條件：tpT2圖390°~τ~圖390自旋回波的產(chǎn)生過程如圖4所示，（a）中體磁化強(qiáng)度在90°射頻脈沖的作用下繞軸轉(zhuǎn)到軸上；（b）中脈沖消失后，核磁矩自由進(jìn)動(dòng)，受不均勻的影響，樣品中磁矩的進(jìn)動(dòng)頻率不同，使磁矩相位分散并呈扇形展開；(c)中180°射頻脈沖的作用使磁化強(qiáng)度的各個(gè)分量繞軸翻轉(zhuǎn)180°，并繼續(xù)按原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；（d）中時(shí)刻，恰好各磁化強(qiáng)度分量剛好匯聚到軸上，形成自旋回波；（e）中后，磁化強(qiáng)度各個(gè)矢量繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而又呈扇形展開。圖4圖490°三、實(shí)驗(yàn)裝置及內(nèi)容裝置：本實(shí)驗(yàn)主要用到連續(xù)核磁共振波譜儀、脈沖核磁共振譜儀等。圖5核磁共振譜儀連續(xù)核磁共振波譜儀如圖5所示，主要由永磁頭、探頭、射頻邊限振蕩器和示波器組成。磁鐵提供樣品核能級(jí)塞曼分裂所需要的恒定磁場，探頭由射頻振蕩線圈(L)、調(diào)場線圈(Lm和Lm’)和樣品組成。工作時(shí)，射頻邊限振蕩器對(duì)射頻振蕩線圈L輸出的射頻場與垂直。射頻信號(hào)經(jīng)檢波、低頻放大后，用示波器顯示振蕩幅度的變化情況。圖5核磁共振譜儀脈沖核磁共振儀的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示，主要由永磁鐵、勻場線圈、射頻脈沖發(fā)生器、射頻探頭和信號(hào)采集系統(tǒng)組成。圖圖6脈沖核磁共振儀的結(jié)構(gòu)簡圖圖6圖6脈沖核磁共振儀的結(jié)構(gòu)簡圖用連續(xù)核磁共振譜儀分別測量0.05%、0.5%和1%的CuSO4按圖5安放好各實(shí)驗(yàn)儀器，調(diào)出共振波形，記錄波形，并估計(jì)樣品的表觀橫向弛豫T2*。用脈沖核磁共振儀用自旋回波法分別測量濃度為0.05%、0.5%、1%和5%的CuSO4四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)測得共振頻率為2.01755*10^7Hz,同時(shí)實(shí)驗(yàn)給出B0=4697GS=0.4697T，掃場頻率為50Hz1.連續(xù)核磁共振實(shí)驗(yàn)中，分析橫向弛豫時(shí)間T2※與樣品濃度的關(guān)系表1表觀橫向弛豫時(shí)間T2※隨濃度變化表樣品濃度(%)0.050.515Y0(V)7.405.609.047.84Y(V)2.281.162.561.28X0(ms)3.602.443.243.08X(ms)1.121.121.161.20T2(ms)0.280.280.240.24T2※(ms)0.240.240.210.21由圖表可得隨著樣品濃度的不斷增大，表觀橫向弛豫時(shí)間總體呈減小趨勢，但是變化并不明顯。且由于共振信號(hào)估算弛豫時(shí)間，誤差較大。2、分析脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)中,弛豫時(shí)間T2與樣品濃度的關(guān)系表2弛豫時(shí)間T2隨樣品濃度變化表濃度(%)T2(ms)T2※(ms)0.0575.49.30.159.45.40.240.94.10.420.52136.91.850.7在脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)中，如表2所示，橫向弛豫時(shí)間T2基本隨樣品濃度增大而減小，樣品濃度為5%的橫向弛豫時(shí)間無法測量，這是因?yàn)?%CuSO4溶液的橫向弛豫時(shí)間太短，不能夠滿足tp<<T1、T2的條件,因此觀察不到回波，它的橫向弛豫時(shí)間就無法測量。由此可見，對(duì)于較高濃度的溶液，脈沖核磁共振不適用。分析：兩種不同方法得到的隨CuSO4溶液濃度增加T2減少。原因在于順磁性的Cu2+離子與核自旋有較強(qiáng)的相互作用，使樣品中局部磁場增大，磁矩更易恢復(fù)到平衡狀態(tài)，所以橫向弛豫時(shí)間隨著順磁離子濃度的升高而縮短。即體現(xiàn)在橫向弛豫時(shí)間隨著CuSO4溶液濃度的增高而減小。3、測量樣品的相對(duì)化學(xué)位移甘油：無二甲苯：9470-9367=103Hz分析：甘油中的H原子核都是等價(jià)的，而在二甲苯中苯中的H和單鍵上的H不等價(jià)，因此存在化學(xué)位移。4、0.05%CuSO4溶液的核磁共振信號(hào)不同于其他信號(hào)的原因：0.05%CuSO共振圖像左側(cè)有類似尾波的波形，且最深溶液濃度的增加，波形幅度減小，在1%CuSO共振圖像的左側(cè)已經(jīng)看不到