完整版核磁脉冲试验报告

1、东北大学秦皇岛分校实验报告班级 姓名 学号 实验日期实验台号：同组人：实验名称：脉冲核磁共振实验面）内加进一个旋转磁场 房,使巳转动方向与的拉摩尔进动同方向，见图 3-1。如81的 转动频率o与拉摩尔进动频率 切0相等时，N会绕B0和Bi的合矢量进动，使 与B0的夹 角日发生改变，8增大，核吸收B1磁场的能量使势能增加。 如果B1的旋转频率0与0不等， 自旋系统会交替地吸收和放出能量， 没有净能量吸收。因此能量吸收是一种共振现象， 只有 Bi的旋转频率仍与8。相等时才能发生共振。一、【实验目的】1, 了解脉冲核磁共振的基本实验装置和基本物理思想，学会用经典矢量模型方法解释脉冲核磁共振中的一些物

2、理现象。*2,用自由感应最减法测量表观横向弛豫时间T2 ,分析磁场均匀度对信号的影响。3,用自旋回波法测量不同样品的横向弛豫时间T2。4,用反转恢复法测量不同样品的纵向弛豫时间T1O5.调节磁场均匀度，通过傅里叶变换测量样品的化学位移。6,测量不同浓度硫酸铜溶液中氢原子核的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1 ,测定其随CuSO浓度的变化关系。（选做）二、【实验原理】核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场的重要方法之一。下面我们以氢核为主要研究对象，以此来介绍核磁共振的基本原理和观测方法。氢核虽

3、然是最简单的原子核，但它是目前在核磁共振应用中最常见和最有用的核。三、【脉冲核磁共振】1,射频脉冲磁场瞬态作用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 B0的平面（x, y平旋转磁场B1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2B1cos8，t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2-1。一个与拉摩尔进动同方向，另一个反方向。反方向的磁场对的作用可以忽略。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。因为磁共振的对象不可能单个核，而是包含大量等同核的系统， 所以用体磁化强度 M来描述，核系统M和单个核Xi的关系为NM = Xi（3-

4、1 ）日M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B0的作用下，宏观体磁而满足tp 丁1,丁2,这意味着射频脉冲作用期间弛豫作用可以忽略不计。化矢量M将绕B0作拉摩尔进动，进动角频率0 =泡0（ 3-2 ）如引入一个旋转坐标系（x：y：z）, z方向与B0方向重合，坐标旋转角频率co =编0，则M在新坐标系中静止。若某时刻，在垂直于B0方向上施加一射频脉冲，其脉冲宽度t 0满足ptp Ti , tp Bitp可知，只要射频场足够强，则tp值均可以做到足够小.脉冲作用后体磁化强度 M的行为一一自由感应衰减（FID）信号设t=0时刻加上射频场 B1，到t = t p时M绕B1旋转9

5、00而倾倒在y轴上，这时射频场Bi消失，核磁矩系统将由弛豫过程回复到热平衡状态。其中 MzT M。的变化速度取决于T1，M x t 0和M y t 0的衰减速度取决于 T2,在旋转坐标系看来，M没有进动，恢复到平衡位置的过程如图 3-4中（a）所示。在实验室坐标系看来，M绕z轴旋进按螺旋形式回图3-4 900脉冲作用后的弛豫过程在这个弛豫过程中，若在垂直于z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 0相同，其幅值按照指数规律衰减， 称为自由感应衰减信号， 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 3-5 （a）所示。FID信

6、号与M在xy平面上横向分量的大小有关，所以 900脉冲的FID信号幅值最大，1800脉冲的幅值为零。图3-5自由感应衰减信号实验中由于恒定磁场 Bo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3-5中(b)所示，设T2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T2和丁2两者决定，可以用一个称为表观横向弛豫时间丁2,来等效：111T2T2T2(3-3)若磁场域不均匀，则 T2越小，从而T2”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

7、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M沿Z方向，记为 M0。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n按下式规律变化n = n0 e)p( -t/T1)(3-4 )式中，n0为时间t= 0时的能态粒子差，工为粒子数的差异与体磁化强度m的纵向分量M Z的变化一致，粒子数差增加 M Z也相应增加，故Ti称为纵向驰豫时间。Ti是自旋体系与环境相互作用时的速度量度，Ti的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对Ti的测定可知样品核的信息。横向驰豫又称为自旋一自旋驰豫。自旋系统内部也就是说核自旋与相邻核自

8、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。自旋一自旋驰豫过程，由非平衡进动相位产生时白体磁化强度 M的横向分量M_lW0恢复到平衡态时相位无关 M_l=0表征, 所需的特征时间记为 T2。由于 T2与体磁化强度白横向分量 M_l的驰豫时间有关，故 丁2也 称横向驰豫时间。自旋一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。射频场 B1 ,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 T2 (90 -7-180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驰豫因涉及到体磁化强

9、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一晶格驰豫。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向弛豫时间丁2,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！；;而不是T2 了，但用自旋回波法仍可以测出横向弛豫时间丁2。图3-6自旋回波信号实际应用中，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900射频脉冲作用后，经过丁时间再施加一个180

10、射频脉冲，便组成一个 900 -t-1800脉冲序列，这些脉冲序列的脉宽 tp和脉距t应满足下列条件：tp Ti，T21t（3-5）T2 T 2以后，由于磁化强度各矢量继续转动而又 呈扇形展开。因此，在 t = 27处得到如图3-6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2工时间内横向弛豫作用不能忽略，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，而且脉距七越大则自旋回波幅值越小，并且回波幅值 U与脉距存在以下关系： TOC o 1-5 h z U =U0e/T2(3-7)式(3

11、-7)中t =2l , U0是90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T ,则回波的峰值就相应的改变， 若依次增大T测出若干个相应的回波峰值，便得到指 数衰减的包络线。对(3-7)式两边取对数，可以得到直线方程lnU =lnU0 -2t/T2(3-8)式中2T作为自变量，则直线斜率的倒数便是T2o.反转恢复法测量纵向驰豫时间T1 (1800 - 900脉冲序列)当系统加上1800脉冲时，体磁化强度 M从z轴反转至-z方向，而由于纵向驰豫效应使z轴方向的体磁化强度 Mz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 M0, Mz随时间变化的规律是以

12、时间t呈指数增长，见图 3-8。用式表本为M z(t) = M0(1 2e/Tl)(3-9)为检测M z瞬时值M z(t),在180脉冲后，隔一时间t再加上900脉冲，使M z倾倒至x与 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Mz(t)。如果等待时间t比T1长得多，样品将完全恢复平衡。用另一不同的时间间隔t重复1800 - 900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t的关系画出曲线，就能得到图3-8。曲线表征体磁化强度 M经1800脉冲反转后M Z(t)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T1 (自旋一晶格驰豫时间)。

13、最简约的方法是寻找MZ(t) = 0处，由式T1 =卜/m2 = 1.44卜得到。.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f0成份最弓在f0两1边幅度逐渐暴减并

14、有负值出现，当f = 的时候，幅度第一次为零。但只要2T0足够小，2T0相应频率范围幅度如下式:图3-8 MZ随t的变化曲线在fo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。I(f) = 2AToSin(To 2二(ffo)To 2二(f - fo)(3-10 )1 -式中，To是矩形脉冲半宽度，U是脉冲幅度，f是射频脉冲频率。可见，2T愈短覆2T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。7.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

15、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 B0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，大小则与外磁场成正比，所以 核处实际磁场是8核=8。-crBo =B0(1 仃)(3-11)式中，。是屏蔽因子，它是个小量，其值 10。因此核的化学环境不同，屏蔽常数仃也就不同，从而引起他们的共振频率各不同0。=（1 -G）B。（3-12 ）化学位移可以用频率进行测量，但是共振频率随外场B0而变，这样标度显然是不方便的,实际化学位移用无量纲的 6表示，单位是

16、ppm。6R 一S 父106 z（oRtrS）M106（3-13）1 -二 S（11）式中Dr, S为参照物和样品的屏蔽常数。用6表示化学位移，只取决于样品与参照物屏蔽常数之差值。根据化学位移的表达式可知，其数值为考虑屏蔽效应与无屏蔽时的共振频率的偏移大小。为了能够精确度量，就需要一盒绝对恒定的主磁场B0,否则如果B0也是一个不固定的值，那么是无法确定这个偏移量的。或者说，当主磁场沿着某个主值向左右有展宽时，会使 得化学位移值也向左右有展宽。当主磁场B0的展宽（不均匀度）超过物质的化学位移时，这种偏移量就是没有办法测量的，或者说偏移量淹没在主磁场的不均匀性中。因此，要对物质进行化学位移的测量，

17、需要主磁场的均匀性满足一定要求。四、【实验装置】FD-PNMR-C型脉冲核磁共振实验仪 1套（恒温箱一个，控制主机两台），PC机1台。五、【实验内容】.仪器连接将射频发射主机（表头标志“磁铁调场电源显示”）后面板中“信号控制（电脑）” 9芯串口座用白色串行口连接线 （注意一定要用白色串行连接线）与电脑主机的串口连接； 将“调场电源”用两芯带锁航空连接线与恒温箱体后部的“调场电源”连接；将“放大器电源”用 五芯带锁航空连接线与恒温箱体后部的“放大器电源”连接；将“射频信号（O）”用带锁BNC连接线与恒温箱体后部的“射频信号（I）”连接；最后插上电源线。将信号接收主机（表头标志“磁铁匀场电源显示”

18、）后面板中“恒温控制信号”用黑色串行连接线（注意一定要用黑色串行连接线，内部接线与白色不同）与恒温箱体后部的“恒 温控制信号”连接；将“加热电源”用四芯带锁航空连接线与恒温箱体后部的“加热电源（220V）”连接；将“前放信号（I）”用带锁BNC连接线与恒温箱体后部的 “前放信号（O）” 连接；用BNC转音频连接线将“共振信号（接电脑）”与电脑麦克风音频插座连接，插上电 源线。.仪器预热准备打开主机后面板的电源开关， 可以看到恒温箱体上的温度显示磁铁的当前温度，一般与当时当地的室内温度相当，过一段时间可以看到温度升高，这说明加热器在工作，磁铁温度在升高，因为永磁铁有一定的温漂，所以仪器设置了PI

19、D恒温控制系统，每台仪器都控制在36.50摄氏度，这样在不同的环境下能够保证磁场稳定。 1.麦克风配置电脑声卡采集设置：双击右下角“声音”图标，出现“主音量”对话框，“选项”中单击“属性”，混音器中选择“ Realtek HD Audio Input ,调节音量选择“录音”，显示下列音 量控制中三个全选，单击“确定”，出现“录音控制”对话框，“麦克风音量”中“选择“打 钩，并把音量调节至2和3指示线之间（一般情况下是这样，可以根据采集到的信号再调节）， 单击“高级”，选择“其他控制”中的“麦克风加强”，单击“关闭”，声卡采集设置完成。.采集信号：单击“连续采集”按钮打开采集软件，点击“连续采集

20、”按钮，电脑控制发出射频信号，共振频率设置为 “20MHz，第一脉冲宽度和第二脉冲宽度数值以及调场电源数值 参考磁铁箱体上给出的参考值，也可以自行调节。 实验开始时主机匀场电源两个旋钮一般可以逆时针调节至最小，然后仔细调节磁铁调场电源，小范围改变磁场，当调至合适值时，可以在采集软件界面中观察 到FID信号或者自旋回波信号（一般通过 90和180脉冲序列观测自旋回波信号），另外还 可以调节匀场电源电位器，使90脉冲尾波最大，信号采集好后，屏幕上将显示图样。.自由感应衰减（FID ）信号测量表观横向弛豫时间12首先调节采集到合适的自旋回波信号后，将两脉冲间隔调大，例如大于25ms,单击“停止”按钮，首先选择“表观横向弛豫时间”中的“丁2*取范围”按钮，选择合适的90脉冲尾波范围，然后点击“ 丁2*拟合”即可得到表观横向弛豫时间T2*o具体操作可以参考动画演示。.用自旋回波（SE信号）法测量横向弛豫时间 T2首先调节第一脉冲和第二脉冲宽度（180脉冲宽度大约为 90脉冲宽度的2倍），以及调场电源和匀场电源，