FDPNMRⅡ型脉冲核磁共振实验仪实验指导书修改

1、PAGE PAGE 23FD-PNMR-型脉冲核磁共振实验仪实验指导书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国 上海FD-PNMR-型脉冲核磁共振实验仪实验指导书一引言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。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。核磁共振的物理基础是原子核的自旋。泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现中子，

2、从此对原子核自旋有了新的认识：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，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。二. 基础知识具有自旋的原子核，其自旋角动量 SKIPIF 1 0 为 SKIPIF 1 0 （1）（1）式中， SKIPIF 1 0 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质决定。 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 为普朗克常数。自旋的核具有磁矩 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 和自旋角动量 SKIPIF 1 0 的关系为 SKIPIF 1 0

3、（2）（2）式中， SKIPIF 1 0 为旋磁比。在外加磁场 SKIPIF 1 0 时，核自旋为 SKIPIF 1 0 的核处于 SKIPIF 1 0 度简并态。外磁场 SKIPIF 1 0 时，角动量 SKIPIF 1 0 和磁矩 SKIPIF 1 0 绕 SKIPIF 1 0 (设为 SKIPIF 1 0 方向）进动，进动角频率为： SKIPIF 1 0 （3）（3）式称为拉摩尔进动公式。拉摩尔进动公式可知，核磁矩在恒定磁场中将绕磁场方向作进动，进动的角频率 SKIPIF 1 0 取决于核的旋磁比 SKIPIF 1 0 和磁场磁感应强度 SKIPIF 1 0 的大小。由于核自旋角动量 S

4、KIPIF 1 0 空间取向是量子化的。 SKIPIF 1 0 在 SKIPIF 1 0 方向上的分量只能取 SKIPIF 1 0 个值，即： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （4） SKIPIF 1 0 为磁量子数，相应地 SKIPIF 1 0 （5）此时原 SKIPIF 1 0 度简并能级发生塞曼分裂，形成 SKIPIF 1 0 个分裂磁能级 SKIPIF 1 0 （6） 相邻两个能级之间的能量差 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （7）对 SKIPIF 1 0 的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上下两个能级。核磁共振实现核磁共振的条件：在一个恒定外磁场 SKIPI

5、F 1 0 作用下，另在垂直于 SKIPIF 1 0 的平面（ SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 平面）内加进一个旋转磁场 SKIPIF 1 0 ,使 SKIPIF 1 0 转动方向与 SKIPIF 1 0 的拉摩尔进动同方向，见图一（a）。如 SKIPIF 1 0 的转动频率与拉摩尔进动频率相等时， SKIPIF 1 0 会绕 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的合矢量进动，使 SKIPIF 1 0 与 SKIPIF 1 0 的夹角 SKIPIF 1 0 发生改变, SKIPIF 1 0 增大,核吸收 SKIPIF 1 0 磁场的能量使势能增加，见式（6）。如果

6、SKIPIF 1 0 的旋转频率 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 与 SKIPIF 1 0 相等使才能发生共振。旋转磁场 SKIPIF 1 0 可以方便的由振荡回路线圈中产生的直线振荡磁场得到。因为一个 SKIPIF 1 0 的直线磁场，可以看成两个相反方向旋转的磁场 SKIPIF 1 0 合成，见图1（b）。一个与拉摩尔进动同方向，另一个反方向。反方向的磁场对 SKIPIF 1 0 的作用可以忽略。旋转磁场作用方式可以采用连续波方式也可以采用脉冲方式。3体磁化强度因为磁共振的对象不

7、可能单个核，而是包含大量等同核的系统，所以用体磁化强度 SKIPIF 1 0 来描述,核系统和单个核 SKIPIF 1 0 的关系为 SKIPIF 1 0 体现了原子核系统被磁化的程度。具有磁矩的核系统，在恒磁场 SKIPIF 1 0 的作用下，宏观体磁化矢量将绕 SKIPIF 1 0 作拉摩尔进动，进动角频率 SKIPIF 1 0 射频脉冲磁场 SKIPIF 1 0 瞬态作用如引入一个旋转坐标系 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 方向与 SKIPIF 1 0 方向重合，坐标旋转角频率 SKIPIF 1 0 ,则在新坐标系中静止。若某时刻,在垂直于 SKIPIF 1 0 方向上施

8、加一射频脉冲，其脉冲宽度满足 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 为原子核系统的驰豫时间），通常可以把它分解为两个方向相反的圆偏振脉冲射频场，其中起作用的是施加在轴上的恒定磁场 SKIPIF 1 0 ,作用时间为脉宽，在射频脉冲作用前 SKIPIF 1 0 处在热平衡状态，方向与 SKIPIF 1 0 轴（ SKIPIF 1 0 轴）重合，施加射频脉冲作用，则 SKIPIF 1 0 将以频率 SKIPIF 1 0 绕 SKIPIF 1 0 轴进动。转过的角度 SKIPIF 1 0 （如图2（a）称为倾倒角,如果脉冲宽度恰好使 SK

9、IPIF 1 0 或 SKIPIF 1 0 ，称这种脉冲为或脉冲。脉冲作用下将倒在 SKIPIF 1 0 上，脉冲作用下将倒向 SKIPIF 1 0 方向。由 SKIPIF 1 0 可知，只要射频场足够强，则 SKIPIF 1 0 值均可以做到足够小而满足 SKIPIF 1 0 ,这意味着射频脉冲作用期间弛豫作用可以忽略不计。脉冲作用后体磁化强度的行为自由感应衰减（FID）信号设 SKIPIF 1 0 时刻加上射频场 SKIPIF 1 0 ,到 SKIPIF 1 0 时绕 SKIPIF 1 0 旋转 SKIPIF 1 0 而倾倒在 SKIPIF 1 0 轴上，这时射频场 SKIPIF 1 0

10、消失，核磁矩系统将由弛豫过程回复到热平衡状态。其中 SKIPIF 1 0 的变化速度取决于 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的衰减速度取决于 SKIPIF 1 0 ,在旋转坐标系看来，没有进动，恢复到平衡位置的过程如图3（a）所示。在实验室坐标系看来，绕 SKIPIF 1 0 轴旋进按螺旋形式回到平衡位置，如图3（b）所示。图三 SKIPIF 1 0 脉冲作用后的弛豫过程在这个弛豫过程中，若在垂直于 SKIPIF 1 0 轴方向上置一个接收线圈，便可感应出一个射频信号，其频率与进动频率 SKIPIF 1 0 相同，其幅值按照指数规律衰减，称为自由感应衰

11、减信号，也写作FID信号。经检波并滤去射频以后，观察到的FID信号是指数衰减的包络线，如图4（a）所示。FID信号与在 SKIPIF 1 0 平面上横向分量的大小有关，所以 SKIPIF 1 0 脉冲的FID信号幅值最大， SKIPIF 1 0 脉冲的幅值为零。图四 自由感应衰减信号实验中由于恒定磁场 SKIPIF 1 0 不可能绝对均匀，样品中不同位置的核磁矩所处的外场大小有所不同，其进动频率各有差异，实际观测到的FID信号是各个不同进动频率的指数衰减信号的叠加，如图4（b）所示，设 SKIPIF 1 0 为磁场不均匀所等效的横向弛豫时间，则总的FID信号的衰减速度由 SKIPIF 1 0

12、和 SKIPIF 1 0 两者决定，可以用一个称为表观横向弛豫时间 SKIPIF 1 0 来等效： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 若磁场域不均匀，则 SKIPIF 1 0 越小，从而 SKIPIF 1 0 也越小，FID信号衰减也越快。驰豫过程驰豫和射频诱导激发是两个相反的过程，当两者的作用达到动态平衡时，实验上可以观测到稳定的共振讯号。处在热平衡状态时，体磁化强度 SKIPIF 1 0 沿Z方向，记为 SKIPIF 1 0 。驰豫因涉及到体磁化强度的纵向分量和横向分量变化，故分为纵向驰豫和横向驰豫。纵向驰豫又称为自旋晶格驰豫。宏观样品是由大量小磁矩的自旋系统和它们所依附的晶格系

13、统组成。系统间不断发生相互作用和能量变换，纵向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，能态粒子数差 SKIPIF 1 0 按下式规律变化 SKIPIF 1 0 式中， SKIPIF 1 0 为时间 SKIPIF 1 0 时的能态粒子差， SKIPIF 1 0 为粒子数的差异与体磁化强度的纵向分量 SKIPIF 1 0 的变化一致，粒子数差增加 SKIPIF 1 0 也相应增加，故 SKIPIF 1 0 称为纵向驰豫时间。 SKIPIF 1 0 是自旋体系与环境相互作用时的速度量度， SKIPIF 1 0 的大小主要依赖于样品核的

14、类型和样品状态，所以对 SKIPIF 1 0 的测定可知样品核的信息。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。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的横向分量 SKIPIF 1 0 0恢复到平衡态时相位无关 SKIPIF 1 0 =0表征,所需的特征时间记为 SKIPIF 1 0 。由于 SKIPIF 1 0 与体磁化强度的横向分量 SKIPIF 1 0 的驰豫时间有关，故 SKIPIF 1 0 也称横向驰豫时间。自旋自旋相互作用也是一种磁相互作用，进动相位相关主要来自于核自旋产生的局部磁场

15、。射频场 SKIPIF 1 0 ，外磁场空间分布不均匀都可看成是局部磁场。自旋回波法测量横向弛豫时间（脉冲序列方式）自旋回波是一种用双脉冲或多个脉冲来观察核磁共振信号的方法，它特别适用于测量横向弛豫时间，谱线的自然线宽是由自旋自旋相互作用决定的，但在许多情况下，由于外磁场不够均匀，谱线就变宽了，与这个宽度相对应的横向弛豫时间是前面讨论过的表观横向弛豫时间 SKIPIF 1 0 ，而不是 SKIPIF 1 0 了，但用自旋回波法仍可以测出横向弛豫时间 SKIPIF 1 0 。 实际应用中，常用两个或多个射频脉冲组成脉冲序列，周期性的作用于核磁矩系统。比如在射频脉冲作用后，经过 SKIPIF 1

16、0 时间再施加一个 SKIPIF 1 0 射频脉冲，便组成一个 SKIPIF 1 0 脉冲序列，这些脉冲序列的脉宽 SKIPIF 1 0 和脉距 SKIPIF 1 0 应满足下列条件： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 脉冲序列的作用结果如图5所示，在 SKIPIF 1 0 射频脉冲后即观察到FID信号；在 SKIPIF 1 0 射频脉冲后面对应于初始时刻的 SKIPIF 1 0 处可以观察到一个“回波”信号。这种回波信号是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引起的，所以称为自旋回波。 SKIPIF 1 0 图6 SKIPIF 1 0 自旋回波矢量图解以下用图6来说

17、明自旋回波的产生过程。图6（a）表示体磁化强度 SKIPIF 1 0 在 SKIPIF 1 0 射频脉冲作用下绕 SKIPIF 1 0 轴转到 SKIPIF 1 0 轴上；图6（b）表示脉冲消失后核磁矩自由进动受到 SKIPIF 1 0 不均匀的影响，样品中部分磁矩的进动频率不同，引起磁矩的进动频率不同，使磁矩相位分散并呈扇形展开。为此可把 SKIPIF 1 0 看成是许多分量 SKIPIF 1 0 之和。从旋转坐标系看来，进动频率等于 SKIPIF 1 0 的分量相对静止，大于 SKIPIF 1 0 的分量（图中以 SKIPIF 1 0 代表）向前转动，小于 SKIPIF 1 0 的分量（图

18、中以 SKIPIF 1 0 为代表）向后转动；图6（c）表示 SKIPIF 1 0 射频脉冲的作用使磁化强度各分量绕 SKIPIF 1 0 轴翻转 SKIPIF 1 0 ，并继续它们原来的转动方向运动；图6（d）表示 SKIPIF 1 0 时刻各磁化强度分量刚好汇聚到 SKIPIF 1 0 轴上；图6（e）表示 SKIPIF 1 0 以后，用于磁化强度各矢量继续转动而又呈扇形展开。因此，在 SKIPIF 1 0 处得到如图3所示的自旋回波信号。由此可知，自旋回波与FID信号密切相关，如果不存在横向弛豫，则自旋回波幅值应与初始的FID信号一样，但在 SKIPIF 1 0 时间内横向弛豫作用不能忽

19、略，体磁化强度各横向分量相应减小，使得自旋回波信号幅值小于FID信号的初始幅值，而且脉距 SKIPIF 1 0 越大则自旋回波幅值越小，并且回波幅值 SKIPIF 1 0 与脉距 SKIPIF 1 0 存在以下关系： SKIPIF 1 0 （8）式（8）中 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 是 SKIPIF 1 0 射频脉冲刚结束时FID信号的初始幅值，实验中只要改变脉距 SKIPIF 1 0 ，则回波的峰值就相应的改变，若依次增大 SKIPIF 1 0 测出若干个相应的回波峰值，便得到指数衰减的包络线。对(8)式两边取对数，可以得到直线方程 SKIPIF 1 0 （9）式中 S

20、KIPIF 1 0 作为自变量，则直线斜率的倒数便是 SKIPIF 1 0 。8.反转恢复法测量纵向驰豫时间 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 脉冲序列） 当系统加上 SKIPIF 1 0 脉冲时，体磁化强度 SKIPIF 1 0 从 SKIPIF 1 0 轴反转至 SKIPIF 1 0 方向，而由于纵向驰豫效应使 SKIPIF 1 0 轴方向的体磁化强度 SKIPIF 1 0 幅值沿 SKIPIF 1 0 轴方向逐渐缩短，乃至变为零，再沿 SKIPIF 1 0 轴方向增长直至恢复平衡态 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 随时间变化的规律是以时间 SKIPIF 1

21、0 呈指数增长，见图7。用式表示为 SKIPIF 1 0 （10）为检测 SKIPIF 1 0 瞬时值 SKIPIF 1 0 ，在180脉冲后，隔一时间再加上脉冲，使 SKIPIF 1 0 倾倒至 SKIPIF 1 0 与 SKIPIF 1 0 构成平面上 产生一自由衰减信号。这个信号初始幅值必定等于 SKIPIF 1 0 。如果等待时间 SKIPIF 1 0 比 SKIPIF 1 0 长得多，样品将完全恢复平衡。用另一不同的时间间隔 SKIPIF 1 0 重复 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 的关系画出曲线，

22、就能得到图7。曲线表征体磁化强度 SKIPIF 1 0 经 SKIPIF 1 0 脉冲反转后 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 （自旋晶格驰豫时间）。最简约的方法是寻找 SKIPIF 1 0 处 ，由式 SKIPIF 1 0 得到。8脉冲核磁共振的捕捉范围为了实现核磁共振，连续核磁共振通常采用“扫场法”或者“扫频法”，但效率不高，因为这类方法只捕捉到频率波谱上的一个点。脉冲核磁共振采用时间短而功率大的脉冲，根据傅里叶变换可知它具备很宽的频谱。一个无限窄的脉冲对应的频谱是频率成份全部而且各成份幅度相等。用这样理想的脉冲作用于于

23、原子核系统激发所有成份而得到波谱。而实际工作中使用的是有一定宽度的方形脉冲，它是由一个射频振荡被方形脉冲调制而成的，用傅里叶变换可得它的频率谱，其为连续谱，但各频率的幅度不相同，射频 SKIPIF 1 0 成份最强，在 SKIPIF 1 0 两边幅度逐渐衰减并有负值出现，当 SKIPIF 1 0 的时候，幅度第一次为零。但只要 SKIPIF 1 0 足够小，在 SKIPIF 1 0 旁边就有足够宽的振幅基本相等的频谱区域，这样就能够很好的激发原子核系统。相应频率范围幅度如下式： SKIPIF 1 0 式中， SKIPIF 1 0 是矩形脉冲半宽度, SKIPIF 1 0 是脉冲幅度， SKIP

24、IF 1 0 是射频脉冲频率。可见， SKIPIF 1 0 愈短 SKIPIF 1 0 覆盖的范围愈宽。所以只要有足够短的脉冲就具有大的捕捉共振频率的范围，同时对测量无任何影响，这是连续核磁共振无法达获得到的，也是脉冲核磁共振广泛应用的原因。脉宽和频宽及幅度的关系见八。化学位移化学位移是核磁共振应用于化学上的支柱，它起源于电子产生的磁屏蔽。原子和分子中的核不是裸露的核，它们周围都围绕着电子。所以原子和分子所受到的外磁场作用，除了 SKIPIF 1 0 磁场，还有核周围电子引起的屏蔽作用。电子也是磁性体，它的运动也受到外磁场影响，外磁场引起电子的附加运动，感应出磁场，方向与外磁场相反，大小则与外

25、磁场成正比，所以核处实际磁场是 SKIPIF 1 0 式中， SKIPIF 1 0 是屏蔽因子，它是个小量，其值 SKIPIF 1 0 。因此核的化学环境不同，屏蔽常数 SKIPIF 1 0 也就不同，从而引起他们的共振频率各不同 SKIPIF 1 0 化学位移可以用频率进行测量，但是共振频率随外场 SKIPIF 1 0 而变，这样标度显然是不方便的，实际化学位移用无量纲的 SKIPIF 1 0 表示，单位是 SKIPIF 1 0 。 SKIPIF 1 0 （11）（11）式中 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 为参照物和样品的屏蔽常数。用 SKIPIF 1 0 表示化学位移，只

26、取决于样品与参照物屏蔽常数之差值。三实验内容1.用示波器观察自由衰减信号（FID信号）用第一脉冲进行观察观察。第一脉冲宽度由零开始调大至某值，相应磁场 SKIPIF 1 0 调整，探头及匀场线圈系统调整（详见附录1匀场系统），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、体磁化矢量、倾倒角 SKIPIF 1 0 的变化。设置不同的脉冲宽度使产生不同的倾倒角度，如 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 等，观察FID变化， SKIPIF 1 0 信号最大， SKIPIF 1 0 信号为零。2.用自旋回波法测量横向弛豫时间 SKIPIF 1 0 在实验内容1调节基

27、础上，用 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 至回波最大，再改变 SKIPIF 1 0 分别获得回波极大值，作包络线，求出 SKIPIF 1 0 .3.用反转回复法测量纵向弛豫时间 SKIPIF 1 0 （选做）即用 SKIPIF 1 0 脉冲序列求弛豫时间 SKIPIF 1 0 。在 SKIPIF 1 0 加 SKIPIF 1 0 脉冲使 SKIPIF 1 0 从 SKIPIF 1 0 到 SKIPIF 1 0 轴，一瞬间 SKIPIF 1 0 ，此后 SKIPIF 1 0 就开始通过自旋晶格弛豫沿 SKIPIF 1 0 轴

28、企图恢复到平衡值，经过 SKIPIF 1 0 秒后， SKIPIF 1 0 收缩成如式（c），由于谱仪不能检测沿 SKIPIF 1 0 轴信号，所以延迟 SKIPIF 1 0 后必须加 SKIPIF 1 0 脉冲使它从 SKIPIF 1 0 转到 SKIPIF 1 0 方向（仪器可以检测其长度了）。不同的 SKIPIF 1 0 有不同的长度，见图七示意。4.用计算机测量二甲苯的化学位移(参考实验软件) 二甲苯具有甲基和苯基，它们具有不同的化学位移：甲基化学位移（相对TMS）约为 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 ，苯基化学位移（相对TMS）为 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1

29、0 （ SKIPIF 1 0 ）。在主频率为 SKIPIF 1 0 的条件下，它们的频率之差为 SKIPIF 1 0 ，样品二甲苯经FFT得到的谱图，用鼠标选取得出频率之差，并与理论值进行比较。 四实验步骤和测量方法1. 仪器安装详细的安装和连线可以参考FD-PNMR-型脉冲核磁共振实验仪使用说明书。信号传递如下:脉冲发生器 射频开关放大器 射频相位检波器射频脉冲 射频脉冲输入 脉冲输出(左) 开关输入 脉冲输出(右) 信号输出 射频输入检波输出示波器CH2通道或外接触发输入EXT 示波器CH1通道磁铁由钕铁硼材料和扼铁组成。磁极左右各两组线圈，一组调节磁场强度，一组调节磁场的对称度。按照磁铁

30、面板上的示意连接线圈电源，电流方向根据磁铁和所在的温度而定。当调节线圈电流I0由零调节至最大,若未发现信号时，可能电流方向接反，改变“匀场线圈电源”上的电流换向开关，电流方向改变，此时再调节便可得到信号，但需要注意的是磁场强度与环境温度为反比的关系(温度越高磁场强度越小，温度越低磁场强度越大)。因此做实验时，须保持磁铁系统为恒定的温度。2. 初步调试a. 将“脉冲发生器”的第一、二脉冲宽度拔段开关打至1ms档；重复时间打至1S档；脉冲的重复时间电位器及脉冲间隔电位器旋至最大。b. “射频相位检波器”的参数设置：将增益波段开关打至5mV档(即最灵敏档)。c.“射频开关放大器”的L16座通过L16

31、Q9线边接至匀场板，并将匀场板放入横放的磁铁中并放入实验样品（仪器配含有0.01%硫酸铜顺磁离子的纯水和二甲苯两种样品）。d示波器设置：将“射频相位检波器”的检波输出信号接CH1通道(或CH2)并把幅度拔至0.1V，AC档；将“脉冲发生器”的脉冲输出(右)接同步端口(即EXT端)；频率放至2ms或5mS档；同步方式选择“常态”(NORM)档，和按下键(“上升触发”、“+”),调节“电平”至同步。e. 通电后调试，当调节I0时由零调至最大,若无信号时可能电流方向接反，改变“匀场线圈电源”上的电流换向开关，电流方向改变，此时再调节便可得到信号(FID信号和自旋回波信号)。f计算机记录：将“射频相位

32、检波器”中检波输出的输出信号通过微机信号连接线接至计算机声卡的MIC上，并将计算机音量控制中的麦克风打开，打开操作软件记录并进行测量。详细操作参考见。 3. 脉冲核磁共振的测量a脉冲核磁共振条件：得到脉冲核磁共振信号必须具备以下两个必须条件：(2).磁场与脉冲射频旋转磁场的角频率 SKIPIF 1 0 满足共振条件,即 SKIPIF 1 0 （氢核的旋磁比 SKIPIF 1 0 ）即当射频旋转磁场的角频率 SKIPIF 1 0 与核磁矩绕磁场 SKIPIF 1 0 的进动角频率 SKIPIF 1 0 相等时，会产生核磁共振现象;(1).探头与放大器匹配.探头与放大器匹配是指脉冲射频以最大功率加

33、载至探头上，同时探头探测的信号以最大功率输入至放大器上。调节匹配由“开关放大器”背后的可变电容完成(一般情况仪器验收完成后已调节好，用户最好不要随意调节)。为了得到良好的放大器性能我们采用的是固定频率，而是调节磁场强度至共振条件。即通过的“匀场电源”中的“I0调节”旋钮调节磁极两端的线圈电流来调节磁场。b. 自旋回波测量横向弛豫时间T2 的调整方法用90o-180o双脉冲自旋回波法测量T2时，把第1脉冲调至90o脉冲(自由衰减最大)，第2脉冲调至180o脉冲(自由衰减最小)，调节磁场(即调节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

34、号最大，调节第2脉冲至自旋回波信号最大。改变脉冲间隔可以得到相应的回波信号最大。(粗调时重复时间旋至最大，脉冲间隔20mS左右，样品采用0.01%硫酸铜溶液或水)。注意：因为信号重复周期长所以存在严重的闪烁现象。实验中一般采用长余辉的慢扫描示波器以减轻闪烁现象。 c. 匀场的调节实验前调节 SKIPIF 1 0 脉冲使其尾波最大，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更均匀的磁场，从而提高测量精度。五思考题 1. 脉冲核磁共振实验中，磁感应强度 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 和不均匀磁场 SKIPIF 1 0 各代表什么

35、物理量？ 2. 试述倾倒角 SKIPIF 1 0 的物理意义。说明如何实现倾倒角？ 3. 何为 SKIPIF 1 0 脉冲序列及 SKIPIF 1 0 脉冲序列？理解其用处和意义？ 4.不均匀磁场对FID有何影响？六参考资料1. 戴乐山，戴道宣. 近代物理实验. 上海：复旦大学出版社，19952. 胡皆汉. 核磁共振波谱学. 北京：烃加工出版社，19883. 裘祖文，裘奉奎. 核磁共振波谱. 北京：科学出版社，1992附录：实验讲义实验一 脉冲核磁共振法测量驰豫时间驰豫时间是核磁共振中重要参数，它在医学上是区分正常细胞和癌细胞的标准，也是判断正常细胞和缺血细胞的方法之一。在农业上成为无损测量结

36、合水、油、固体物质和自由水的含量一个指标。实验目的掌握脉冲核磁共振的基本概念和方法。通过观测核磁共振对射频脉冲的响应对能级跃迁过程(驰豫)了解。学会用基本脉冲序列测量液体样品的驰豫时间T1、T2。实验原理用自旋回波法测量横向驰豫时间T2 横向驰豫时间是指核磁共振发射的自由衰减信号的衰减速度。但是因为磁场不均匀的影响，使得不同空间位置的样品处于发射频率不同的射频场中。许多起始相位相同而频率不同的正弦信号叠加后经历一定的时间会因为相位完全不同而导致信号过早消失，称之为相位散失。如果加入180脉冲使得所有样品发射的信号的相位产生180反转，再经历相同时间，相位又会重新相同，称为相位重合，这时信号强度

37、是真实的发射强度，重新恢复的信号称为自旋回波。通过测量自旋回波强度随时间变化的关系可以得到横向驰豫时间T2。如图(1)图1自旋回波幅值 SKIPIF 1 0 满足 SKIPIF 1 0 （1）式中， SKIPIF 1 0 为时间 SKIPIF 1 0 时的幅值。反转恢复法测量纵向驰豫时间T1 纵向驰豫时间指上能级不经过辐射跃迁至下能级的时间。反转恢复法测量T1是利用核磁矩完全平行静时磁场无任何射频辐射信号来测量驰豫时间。反转恢复法是180-90脉冲序列完成。180脉冲后核磁矩反平行静磁场核磁矩处于上能级，无辐射信号。如果再180脉冲后马上加90脉冲，成为270脉冲核磁矩垂直静磁场有较强的辐射，

38、如果跃迁至一半核磁矩垂直静磁场，加90脉冲后核磁矩平行静磁场，无辐射信号。如果在核磁矩完全跃迁至平行静磁场再加90脉冲后核磁矩垂直静磁场有较强的辐射信号。所以跃迁一半的时间具有特殊性：第一脉冲（180脉冲）无辐射信号，第二脉冲也无辐射信号，如果改变脉冲间隔第二脉冲具有较小的辐射信号。所以调节第二脉冲至跃迁一半的时间就可测出T1。如图(2)图2实验装置实验框图如图3所示。图3实验仪器主要包括FD-PNMR-I 简易脉冲核磁共振仪。（FD-PNMR-II核磁共振谱仪 探头必须偏离中心）和YB4323 示波器。实验数据例（仅供参考）表1自旋回波测T2 样品:甘油序列123452 SKIPIF 1 0

39、 /ms1020304050Y轴分度值0.5V/DIV0.5V/DIV0.5V/DIV0.2/DIV0.2/DIVY读数/DIV4.43.62.84.83.6VFID /V2.21.81.40.960.72Ln(U回波)0.7880.5880.336-0.041-0.33 SKIPIF 1 0 关系作线性拟合得斜率 SKIPIF 1 0 =-0.0287 ms-1；截距 SKIPIF 1 0 =1.1277 ln(U回波)=-0.0287( SKIPIF 1 0 )+1.128,拟合相关系数 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 反转恢复法测T1 样品:甘油

40、序列12345t12625262625t1= SKIPIF 1 0 T1=ln2 SKIPIF 1 0 t1= SKIPIF 1 T2 T1与T2较为接近。以上结论与核磁共振理论一致。在液体中T2与T1非常接近。甘油的 T1、T2 与有关参数基本接近（液体物质的驰豫时间与微量杂质有关而且极为敏感，驰豫时间还对温度敏感，所以一般只给出纯净物质驰豫时间的范围）,表2出几种纯物质的驰豫时间 SKIPIF 1 0 表2 几种纯液体核磁共振驰豫时间T2试 样甘 油机 油纯水（除氧处理）T2/ms10-4013-752.3103实验二 傅里叶变换脉冲核磁共振测量液体的化学位移 傅里叶变换-脉冲核磁共振实验方法是现代化学分析仪器主要的工作原理，在仪器分析上有重要地位。此实验方法具有深刻的物理内涵，而此种仪器工作机理又是电子学、物理学、计算数学（包括计算机技术）和