核磁共振实验 电科 091 张建峰 09461132

1. 核磁共振实验电科091 张建峰 09461132

2. 实验目的 • （1）掌握脉冲核磁共振的基本概念和方法。 • （2）学会用基本脉冲序列测量液体样品的驰豫时间，观测核磁共振现象。 • （3）了解傅立叶变换-脉冲核磁共振实验方法测量核磁共振谱。

3. 实验原理 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象 研究对象：磁性核（原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。这类原子核称为磁性核。 ）

4. （1）具有自旋的原子核，其自旋角动量P为 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质决定. 和自旋角动量 的关系为 自旋的核具有磁矩 ， 为旋磁比。

5. 由于核自旋角动量p空间取向是量子化的。p在方向上的分量只能取 个值，即： （6.4） 为磁量子数，相应地 （6.5） 此时原 度简并能级发生塞曼分裂，形成 个分裂磁能级 （6.6） 相邻两个能级之间的能量差 （6.7） 对 的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上下两个能级。

6. （2）核磁共振 • 实现核磁共振的条件： 在一个恒定外磁场B0作用下，另在垂直于的平面（x,y平面）内加进一个旋转磁场B1，使B1转动方向与 的 拉摩尔进动向相同，见图6.1（a）。 B0 在外加磁场B0=0时，核自旋为I的核处于2I+1度简并态，外磁场B0不为0时，磁矩绕B0进动，角频率为 6.1(a)

7. 如 的转动频率 与拉摩尔进动频率 相等时， 会绕 和 的合矢量进动，使 与 的夹角 发生改变，增大，核吸收 磁场的能量使势能增加，见式（6.6）。如果 的旋转频率 与 不等，自旋系统会交体地吸收和放出能量，没有净能量吸收。因此能量吸收是一种共振现象，只有 的旋转频率 与 相等使才能发生共振。

8. 旋转磁场B1的获得： 由振荡回路线圈中产生的直线振荡磁场得到。 一 个 的直线磁场，可以看成两个相反方向旋转的磁场B1合成，见图6.1（b）。 6.1（b）

9. 体磁化强度 磁共振的对象是 包含大量等同核的系统，用体磁化强度M来描述，和系统M和单个核的 关系为 M体现了原子核系统被磁化的程度

10. （4）射频脉冲磁场B1瞬态作用 引入一个旋转坐标系 ，Z方向与B0方向重合，坐标旋转角频率 ，则M在新坐标系中静止。若某时刻在 方向上加 一个射频脉冲磁场B1，则M将以频率 绕 轴进动如图所示。 , B0

11. 弛豫过程 • 纵向驰豫又称为自旋—晶格驰豫。是指自旋系统把从射频磁场中吸收的能量交给周围环境，转变为晶格的热能。自旋核由高能态无辐射地返回低能态 • 横向驰豫又称为自旋—自旋驰豫。自旋系统内部也就是说核自旋与相邻核自旋之间进行能量交换，不与外界进行能量交换，故此过程体系总能量不变。

12. 自旋回波法测量横向弛豫时间 自旋—自旋驰豫过程，由非平衡进动相位产 生时的体磁化强度M的横向分量 ≠0恢复到 平衡态时相位无关 =0表征，所需的特征时 间即横向弛豫时间T2

13. 原理： 在900脉冲之后产生一个自由感应衰减信号，经过 后给样品加 脉冲，再经过t（即 ）时就会出现第二个核感应信号，这个信号就是自旋回波信号，见图6.3。

14. 反转恢复法测量纵向弛豫时间 当系统加上 脉冲时，体磁化强度M从 轴反转至 方向，而由于纵向驰豫效应使Z轴方向的磁化强度幅值沿-Z轴方向逐渐缩短，乃至变为零，再沿Z轴方向增长直至恢复平衡态M，随时间变化的规律是以时间呈指数增长，见图6.4。 图6.4

15. 为检测 瞬时值 ，在180°脉冲后，隔 一时间 再加上90°脉冲使 倾倒至 平面上产生一自由衰减信号。这个 信号初始幅值必定等于 。如果等待时间 比 长得多，样品将完全恢复平衡。用另 一不同的时间间隔 重复180°- 90°脉冲序 列的实验，得到另一FID信号初始幅值。这 样，把初始幅值与脉冲间隔 的关系画出曲 线就能得到图。

16. 曲线表征磁化强度M经180°脉冲反转后 按指数规律恢复平衡态的过程。以此实测曲线可算出纵向驰豫时间 （自旋—晶格驰豫时间）。最简约的方法是寻找 处 ，由式 得到。

17. 实验内容 • （1）匀场的调节 实验前将脉冲将旋至最大。调节Z、X、Y使“自由 衰减”时间大于20ms（约2ppm的精度）。 调节匀场电源的目的是为了获得均匀磁场，从而 提高磁铁精度从而提高测量精度 • （2）用示波器观察自由衰减信号（FID） 用第一脉冲进行观察。第一脉冲宽度由零开始调大至某值，相应磁场 调整，观察波形变化，目的都使FID信号衰减最慢，脉冲宽度变化意味着样品体系、磁化矢量、倾倒角的变化，设置不同的脉冲角度，如90°, 180°等，观察FID变化，90°信号最大，180°信号为零。

18. （3）用自旋回波法测量横向弛豫时间 • 将第1脉冲调至90o脉冲（自由衰减最大），调节第2脉冲至180o脉冲（自由衰减最小），调节磁场（调节I0）至共振频率与射频脉冲频率相等就可以观察到自旋回波。 • 调节I0至自旋回波最大，调节第1脉冲至自旋回波信号最大，调节第2脉冲至自旋回波信号最大。改变脉冲间隔测量T2。（粗调时重复时间旋至最大，脉冲间隔20mS左右，样品采用0.1%硫酸铜溶液或水）。

19. 用脉冲的方法获得自旋回波信号，如果自旋回波较小，可以反复调节I0至回波最大，再改变 分别获得回波极大值，作包络线，求出T2。

20. 谢 谢！