核磁共振讲义

核磁共振实验讲义【一】实验目的掌握核磁共振的实验基本原理和方法。观察核磁共振稳态吸收现象。测量1H的丫因子和g因子或核磁矩p。【二】实验仪器核磁共振仪频率计示波器【三】实验原理核自旋原子核具有自旋，其自旋角动量为P[=\I(I+1)h (1)其中I是核自旋量子数，其值为半整数或整数，当质子数和质量数均为偶数时，I=0,当质量数为偶数而质子数为奇数量，I=0,1,2，…，当质量数为奇数时，I=n/2(n=1,3,5,)。核磁矩原子核带有电荷，因而具有自旋磁柜，其大小为(2)e(2) P2m IehNeh(3)式中g为核的朗德因子，对质子，g=5.586，mN为原子核质量，以n为核磁子，H=5.0509x10-27A•m2，令(4)((4)(5)2mN显然有H=ypY称为核的旋磁比。1核磁矩在外磁场中的能量核自旋磁矩在外磁场中会进动，进动的角频率ro=yB (6)0 0B0为外恒定磁场。表2.3.1列出了一些原子核的自旋量子数、磁矩和进动频率。表2.3.1核自旋量子数磁矩和回旋频率核素自旋量子数I磁矩H/H N 回旋频率/(MH•T-1)1H1/22.79270Z42.577汨10.857386.5363H1/22.978845.41412C013C1/20.7021610.70514N10.403573.07615N1/2-0.283044.31516C017。5/2-1.89305.77218。019F1/22.627340.05531P1/21.130517.235

核自旋角动量P的空间的取向是量子化的。设z轴沿B0方向，p在乙方向分量只能取' 核自旋角动量P的空间的取向是量子化的。设z轴沿B0方向，p在乙方向分量只能取' (7)(8)P=mh(m=I,I-1,…,-1+1,-1)日=yp则核磁矩所具有的势能为E=-口-B=-口B=-yhmB对于氢核(田)，I=—,m2△E=h①=yhB

0△E正比于B°,由于Iz01=±-2=g口0/o(9)0=+—yhB2 0两能级之间的能量差为(10)m约等于电子质量的1/1840，故在同样的外磁场B0中，核磁能级裂距约为电子自旋能级裂距的1/1840，这表明核磁共振信号比电子自旋共振信号弱的多，观测起来更困难。4.核磁共振自旋自动量P不等于零的原子核都具有自旋磁矩p，核磁矩p在静磁场B0作用下，将以一定夹角a和角频率30围绕B°作进动。由(2)可知，核磁矩的绝对值为口|=g趾J】(I+1)原子核的角动量P与磁矩P之间关系用一个叫磁旋比Y的物理量连系起来：_M_g,―—I(I+1) g,―NIPhp(I+1)h-原子核磁矩的投影为：日=yPZ Z刍、hm=g|im，投影的最大值即为通常所说的核h- rN图1观察核磁共振信号原理图如果有一射频场(B「其工作频率为u，以与B0垂直的方向作用于核，且其频率满足共振条件：TOC\o"1-5"\h\zv=yB/2兀 (11)则将发生核磁矩对射频能量的共振吸收，该核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振，此时△E=roh=gr口hB (12)①=yB (13)0 0h为普朗克常数。h=6.624X10-27尔格•秒。5.仪器工作原理当发生核磁共振(NMR)时，原子核系统对射频(yf)场产生能量吸收，为了观察到磁共振现象，必须把吸收的能量转化为可以观察到的电信号。检测核磁共振现象的基本原理如图(一)所示。把样品放在与静磁场垂直的射频线圈L中，线圈L与可调电容C核成振荡检波器的振荡回路，振荡检波器产生射频场B1改变电容C3可使射频场B1的频率发生变化，当其频率满足共振条件v=yH°/2兀时，样品中的原子核系统就吸收线圈中的射频场能量，使振荡器回路的Q值下降，导致振荡幅度下降，振荡幅度的变化由检波器检出，并经放大送到示波器的y轴显示。为了不断满足共振条件，必须使静磁场在一定范围内不断往返变化（称之为扫场），使磁场在共振点附近周期地往返变化，不断满足共振条件，扫场信号源和扫场线圈就是对静磁场进行扫场用的，同时又把扫场信号输入到示波器的X轴（即外同步端），使示波器的扫描与磁场扫场同步，以保证示波器上观察到稳定的共振信号。振荡器工作应在接近临界状态，通过调节“工作电流”及“反馈”旋钮，使振荡器处于边限振荡状态，以提高核磁共振信号的检测灵敏度，并避免信号的饱和。扫场信号采用50赫兹交流信号，通过扫场线圈，在静磁场B0上叠加一个小的50赫不变磁场，实现扫场作用。 °【四】实验方法正确组装好装置，观察核磁共振吸收信号，把样品放入探头中并将测试探头缓缓伸入磁体的极隙中，启动“电源”开关和“扫场电源”开关。同时打开示波器与频率计开关，示波器的“扫描范围”旋钮至“外接”位置，若示波器荧光屏上的水平扫描线不够长，或太长超出光屏范围应调节至与荧屏宽度相同。增益旋至最大位置。频率计的“量程”移动开关置于“50MHz”位置。电源面板上的“扫场调节”旋钮调至中间位置（即顺时针、逆时针两端中间）“反馈”及“工作电流”旋至中间位置，此时示波器立即显示出一条具有高频噪音的水平线，可认为振荡器已产生振荡，若是一条平整的水平线，表示振荡器没有振荡。可调节“工作电流”直至出现噪音为止，此时频率计上会显示振荡频率的数字。缓慢旋转“频率调节”旋钮（频率计的数字随之变化），搜索共振信号，在旋转旋钮时，在示波器上可能会看到振荡器出现高频或低频自激现象，只要顺时针方向稍稍旋转主机上的“工作电流”旋钮，就可以消除自激现象。恢复正常振荡。当出现共振信号时，仔细调节“工作电流”旋钮，慢慢沿逆时针方向调动，同时调节“反馈”旋钮，使振荡器处于最佳工作状态，此时噪音最小，信噪比最大。把示波器的扫描旋至10〜100Hz扫描档，此时示波器上出现4〜8个稳定的信号，且信号的距离相等，此时频率计上的计数就是振荡器的频率，也即共振信号的频率。从频率计上的读出振荡频率，即可用公式（11）求出1H的磁旋比Y。（设外磁场B已知）TOC\o"1-5"\h\z数据处理： °1） 1H的gN值与核磁距p的计算已知g=hy/2叫 （14）^=yIh/2兀 （15）h普朗克常数，pN为核磁子h=6.624X10-27尔格•秒；p「5.0504X10-24尔格/高斯只要测出共振频率V，已知磁场B0的值，通过公式（14）（15）可算出1H的y、g和日值（其中日是以核磁日N为单位的）。° 村2） 19F的g值和核磁矩的计算测量方法和计算方法与1H基本相同，只是诺的共振频率为1H的0.94倍，信号较1H弱许多，可调节扫场至最大。3） 如果磁场强度未知，又没有精确的磁场计，则用频率计测出1H的共振频率U，19F的频率U，若已知由、19F中的一个磁旋比，就可算出另一个核的磁旋比。即设1H的频率u］，磁旋比Y；19F的频率为U2,磁旋比为Y2。则从v=LBn得VI,「赤22兀0vy2/2兀y=二yV2例如：2在一定的磁场强度下（无磁场计测定其B0的值）测得19F的共振频率U2为15.47447MHz，已知，呻的予为：4.00541兆郝/千高斯，并测出在同一磁场下1H的共振频率u1为：16.44874兆赫，则=-•y/2兀='6・44874乂4.00541兆赫/千高斯2兀 V2 15.474472 =4.2579兆赫/千高斯把h=6.624X10-27尔格•秒及Hn=5.