核磁共振儀原理.doc

核磁共振波譜學簡單介紹及其應(yīng)用 學生姓名：蔡興宇 學號：20105052029化學化工學院 應(yīng)用化學指導(dǎo)老師：王海波 職稱：講師摘 要：核磁共振波譜學是光譜學的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。核磁共振是一種探索、研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的高新技術(shù)。目前，核磁共振已在物理、化學、材料科學、生命科學和醫(yī)學等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：核磁共振；量子力學；參數(shù)；能級分裂；電磁波Abstract: nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a branch of spectroscopy, and its resonant frequency in the radio frequency band, the corresponding transition is nuclear spin on the nuclear zeeman energy level transition. People usually mean by nuclear magnetic resonance (NMR) is the use of nuclear magnetic resonance phenomenon of molecular structure, the structure of human body internal information technology. Nuclear magnetic resonance (NMR) is a kind of exploration, research material microstructure and properties of high and new technology. At present, nuclear magnetic resonance (NMR) has been in physics, chemistry, materials science, life science and medicine has been widely applied in areas such as.Key words: nuclear magnetic resonance (NMR); Quantum mechanics; Parameters; Energy level splitting; The electromagnetic wave引 言從19世紀40年代中期，美國哈佛大學珀塞爾和斯坦福大學布洛赫等人發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象以來，核磁共振技術(shù)飛速發(fā)展。目前，核磁共振已廣泛地應(yīng)用到物理、化學、生物特別是醫(yī)學等各個領(lǐng)域。它是研究核結(jié)構(gòu)和準確測量磁場的重要方法之一?；瘜W家利用核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)即核磁共振的波譜分析。醫(yī)學上制成核磁共振成像儀，為臨床診斷和生理學、醫(yī)學研究提供重要數(shù)據(jù)。核磁共振還用在地質(zhì)勘探上，核磁共振探測是MRI技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的延伸，通過對地層中水分布信息的探測，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結(jié)構(gòu)信息。1.核磁共振的定義核磁共振（nuclearmagneticresonance, NMR ）是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用自旋能級發(fā)生蔡曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因為具有核自旋。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當核磁矩處于靜止外磁場中時產(chǎn)生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。2.核磁共振-發(fā)展歷史 1930年代，物理學家伊西多拉比（Isidor Isaac Rabi）發(fā)現(xiàn)在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。 1945年，美國哈佛大學的珀塞爾(E. M. Purcell)和斯坦福大學的布洛赫(F. Bloch)兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對核磁共振現(xiàn)象的認識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學獎。人們在發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實際用途，早期核磁共振主要用于對核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等，化學家利用分子結(jié)構(gòu)對氫原子周圍磁場產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到碳譜、二維核磁共振譜等高級譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強，進入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測定成為可能。后來核磁共振廣泛應(yīng)用于分子組成和結(jié)構(gòu)分析，生物組織與活體組織分析，病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損監(jiān)測等方面。3核磁共振-原理 核磁共振現(xiàn)象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的運動。根據(jù)量子力學原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實驗結(jié)果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同： 質(zhì)量數(shù)（A）質(zhì)子數(shù)（Z）中子數(shù)（N）自旋量子數(shù)（I）核磁性實例偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)0無12C、16O、32 S偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)1有2H、 6Li、14 N258Co310B奇數(shù)奇數(shù)/偶數(shù)偶數(shù)/奇數(shù)1/2有1H、13 C、15 N、19 F、31 P3/27Li、9Be、11 B、23 Na、33 S5/217O、25Mg、27Al、55MnI=1/2的原子核，電荷均勻地分布于原子核表面，這樣的原子核不具有電四極距，核磁共振的譜線窄，最宜于核磁共振檢測；I1/2的原子核，電荷在原子核表面呈非均勻分布，電四極距不為零。凡是有電四極距（不論是正值還是負值）的原子核都具有特殊的馳豫機制，常導(dǎo)致核磁共振的譜線加寬，這對于核磁共振信號的檢測是不利的。根據(jù)量子力學原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發(fā)生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎(chǔ)。為了讓原子核自旋的進動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據(jù)物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號。4核磁共振-蔡曼分裂 核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生蔡曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振波譜學是光譜學的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核蔡曼能級上的躍遷。 自旋量子數(shù)不為零的核與外磁場 B0相互作用，使核能級發(fā)生2I+1重分裂，此為蔡曼分裂。可發(fā)生核自旋躍遷的兩能級的能量之差：其中為磁旋比，為普朗克常數(shù)。 核自旋在蔡曼能級之間躍遷的選擇定則為：相鄰能級之間能量差為：如果在上述靜磁場B0存在的同時再加上一個方向與之垂直，強度遠小于B0的射頻交變磁場B1，并且其頻率滿足如下條件： 則原子核會吸收射頻場能量，在兩蔡曼能級之間發(fā)生躍遷，此現(xiàn)象為核磁共振現(xiàn)象。共振頻率： 核磁共振頻率因核而異，對于同一種核，共振頻率與靜磁場B0成正比。5核磁共振-主要參數(shù) 5.1化學位移 1950年，W. G. Proctor和當時旅美學者虞春福研究NH4NO3的14N核磁共振時，發(fā)現(xiàn)的共振譜線為兩條。顯然，這兩條譜線對分別對應(yīng)于NH4+和NO3-中的N，即核磁共振信號可反應(yīng)同一種原子的不同化學環(huán)境。由此，發(fā)現(xiàn)了化學位移現(xiàn)象。同一種核在分子中因所處的化學環(huán)境不同，使共振頻率發(fā)生位移的現(xiàn)象稱為化學位移。化學位移產(chǎn)生的原因是分子中運動的電子在外磁場下對核產(chǎn)生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子來表示，總是遠遠小于1。一般來說屏蔽因子 是一個二階張量，只有在液體中由于分子的快速翻滾，化學位移的各向異性被平均，屏蔽因子才表現(xiàn)為一常量。 核實際上感受到的磁場強度為：核磁共振的共振頻率： 實際測定中化學位移是以某一參考物的譜線為標準，其他譜線都與它比較，即以一無因次的量表示化學位移的大小。常選用四甲基硅(TMS)作為測量化學位移的基準，是因為：TMS只有一個峰（四個甲基對稱分布）；甲基氫核的核外電子及甲基碳核的核外電子屏蔽作用很強，無論氫譜或碳譜，一般化合物的峰大都出現(xiàn)在TMS峰的左邊，按“左正右負”的規(guī)定，一般化合物各個基團的均為正值；TMS沸點僅27，很容易從樣品中除去，便于樣品回收；TMS與樣品之間不會發(fā)生分子締合。5.2自旋-自旋耦合（spin-spin coupling）1951年Gutowsky等人發(fā)現(xiàn)POCl2F溶液的19F譜存在兩條譜線，而POCl2F分子中只有一個F原子，由此發(fā)現(xiàn)了自旋-自旋耦合現(xiàn)象。核與核之間以價電子為媒介相互耦合引起譜線分裂的現(xiàn)象稱為自旋裂分。由于自旋裂分形成的多重峰中相鄰兩峰之間的距離被稱為自旋自旋耦合常數(shù)，用J表示。耦合常數(shù)用來表征兩核之間耦合作用的大小，具有頻率的因次，單位是赫茲。 一般來說由于自旋耦合使高分辨核磁共振波譜變得十分復(fù)雜，但是當化學位移之差遠大于耦合常數(shù)時，一個含有n個自旋量子數(shù)為1/2的核的基團將會使其鄰近基團中核的吸收峰分裂為n+1重峰，并且這n+1重峰的強度分布服從二項式系數(shù)分配公式(1+x)n。此為一級分裂波譜。5.3譜峰強度信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息，處于相同化學環(huán)境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰，通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數(shù)量，從而為分子結(jié)構(gòu)的解析提供重要信息。表征信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分，即吸收峰積分曲線的高度與產(chǎn)生該吸收峰基團的粒子數(shù)成正比。圖1中苯環(huán)間位質(zhì)子峰，苯環(huán)鄰位質(zhì)子峰，-CH質(zhì)子峰，-CH質(zhì)子峰的積分強度之比為2212。這一信息對于1H-NMR譜尤為重要，而對于13C-NMR譜而言，由于峰強度和原子核數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系并不顯著，因而峰強度并不非常重要。 6. 弛豫參數(shù)從微觀機制上說，弛豫是由局部漲落磁場所引起的。偶極-偶極相互作用、分子轉(zhuǎn)動、化學位移各向異性、鄰近存在電四極核等等，都可以產(chǎn)生局部磁場。而固體中的晶格震動，液體中的Brown 運動等，使得局部磁場將隨時間漲落。弛豫過程的特性取決于分子運動的性質(zhì)。由于分子運動是無規(guī)則的，局部漲落磁場也是一個隨機過程。此外，弛豫速率（即弛豫時間的倒數(shù)），具有可加和性。當存在多種弛豫機制時，總的弛豫速率是各種機制弛豫速率的總和。自旋-晶格弛豫時間（縱向弛豫時間）T1，核系統(tǒng)與周圍晶格相互作用，交換能量，使核系統(tǒng)恢復(fù)平衡，這一過程被稱為自旋晶格弛豫過程，自旋晶格弛豫過程的快慢可用自旋晶格弛豫時間T1來表征。T1的單位是秒。自旋自旋弛豫時間(橫向弛豫時間)T2，等同核之間的磁相作用被稱為自旋自旋相互作用。等同核之間相互交換自旋態(tài)并不改變系統(tǒng)的總能量，卻縮短了系統(tǒng)在激發(fā)態(tài)的能級壽命。自旋自旋弛豫時間T2是核處于激發(fā)態(tài)的能級壽命，以秒為單位，它與譜線寬度有關(guān)。 核奧弗豪澤效應(yīng)。當一個強的射頻場加到一組核上，使其中一個或多個躍遷被飽和，這時在空間相鄰近的另一組核的共振信號的積分強度會因此而改變，這一現(xiàn)象被稱為核奧弗豪澤效應(yīng)，最早由A.W.奧弗豪澤發(fā)現(xiàn)。7核磁共振儀器核磁共振儀器包括以下幾類:核磁共振磁場計、核磁共振測場儀、核磁共振分析儀、核磁共振表面探測儀、核磁共振探水儀、核磁共振測井儀、核磁共振波譜儀、核磁共振成像儀。核磁共振波譜儀還分為液體核磁共振譜儀和固體核磁共振譜儀。核磁共振譜儀分為兩大類，即連續(xù)譜核磁共振譜儀及脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀。前者將單一頻率的射頻場連續(xù)加在核系統(tǒng)上，得到的是頻率域上的吸收信號和色散信號。后者將短而強的等距脈沖所調(diào)制的射頻信號加到核系統(tǒng)上，使不同共振頻率的許多核同時得到激發(fā)，得到的是時間域上的自由感應(yīng)衰減信號(FID)的相干圖，再經(jīng)過計算機進行快速傅立葉變換后才得到頻率域上的信號。 8核磁共振的應(yīng)用 NMR技術(shù)即核磁共振譜技術(shù)，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)測定的一項技術(shù)。對于有機分子結(jié)構(gòu)測定來說，核磁共振譜扮演了非常重要的角色，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜一起被有機化學家們稱為“四大名譜”。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。 核磁共振的特點：共振頻率決定于核外電子結(jié)構(gòu)和核近鄰組態(tài)；共振峰的強弱決定于該組態(tài)在合金中所占的比例；譜線的分辨率極高。早期的核磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產(chǎn)生核磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產(chǎn)生的核磁共振信號很強，容易檢測。隨著傅立葉變換技術(shù)的發(fā)展，核磁共振儀可以在很短的時間內(nèi)同時發(fā)出不同頻率的射頻場，這樣就可以對樣品重復(fù)掃描，從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區(qū)分出來，這使得人們可以收集13C核磁共振信號。 近年來，人們發(fā)展了二維核磁共振譜技術(shù)，這使得人們能夠獲得更多關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的信息，目前二維核磁共振譜已經(jīng)可以解析分子量較小的蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。在生物學研究中最常用的是1H，13C，31P譜，此外還有15N，19F等。1H譜發(fā)展最早，1H在生物體中無所不在，核磁相對靈敏度高，故應(yīng)用最廣，包括用于核磁成像。缺點是含氫基團極多，譜線易重疊而不易解析。碳亦為生物體內(nèi)重要元素，但12C自旋為零，13C天然豐度低，僅為1.1，對等數(shù)量的核在相同磁場下其靈敏度只及1H的1.6。其優(yōu)點是化學位移范圍寬，在寬帶去耦條件下進行實驗，波譜簡單，易分辨，隨著測定技術(shù)及13C標記方法的發(fā)展，13C 譜已有極廣泛的應(yīng)用。31P譜常用于活組織測定，觀察ATP等含磷化合物的代謝過程，并已用于核磁成像。 9核磁共振-二維核磁共振譜 自70年代末，特別是80年代以來二維核磁共振(2D-NMR)及核磁成像技術(shù)(NMR image)迅速發(fā)展，已在生物學、醫(yī)學研究中發(fā)揮越來越大的作用。 二維核磁共振的思想是1971年提出的，1976年R.R.恩斯特用密度矩陣方法對二維核磁共振實驗進行了詳細的理論闡述，自此二維核磁共振技術(shù)得到了非常迅猛的發(fā)展。1977年K.維特里希首先將此方法用于生物高分子，研究氨基酸和牛胰胰蛋白酶抑制劑，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了用二維核磁共振對蛋白質(zhì)1H-NMR的單個譜峰全部識別的方法。 二維核磁共振譜S(1，2)被定義為二個獨立的頻率變量1和2的函數(shù)，它是由對時間域上的函數(shù)S(t1，t2）進行二維傅立葉變換得到的。 基本原理如下：所有二維核磁共振波譜在時間域上都可分為四個時期，即準備期、發(fā)展期、混和期（可以沒有）及檢測期，其中發(fā)展期的時間間隔為t1，檢測期的時間間隔為t2。 準備期一般比較長，自旋系統(tǒng)在這一時期達到熱平衡。發(fā)展期加上一個或多個射頻脈沖使核系統(tǒng)演化?；旌推诎}沖和延遲時間。在檢測期，信號作為t2的函數(shù)被檢測，并以發(fā)展期的時間間隔t1為參數(shù)。只改變發(fā)展期的時間間隔t1，重復(fù)多次實驗，即可得到時間域的二維信號S（t1，t2）,對此作二維傅立葉變換即得頻率域的二維核磁共振譜S（1，2）。10核磁共振-核磁共振成像 核磁共振成像（NMR image，MRI）技術(shù)是核磁共振在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。人體內(nèi)含有非常豐富的水，不同的組織，水的含量也各不相同，如果能夠探測到這些水的分布信息，就能夠繪制出一幅比較完整的人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，核磁共振成像技術(shù)就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進而探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。 最早的核磁共振成像實驗是由1973年勞特伯發(fā)表的，并立刻引起了廣泛重視，短短10年間就進入了臨床應(yīng)用階段。作用在樣品上有一穩(wěn)定磁場和一個交變電磁場，去掉電磁場后，處在激發(fā)態(tài)的核可以躍遷到低能級，輻射出電磁波，同時可以在線圈中感應(yīng)出電壓信號，稱為核磁共振信號。人體組織中由于存在大量水和碳氫化合物而含有大量的氫核，一般用氫核得到的信號比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號不同，結(jié)合CT技術(shù)，即電子計算機斷層掃描技術(shù)，可以得到人體組織的任意斷面圖像，尤其對軟組織的病變診斷，更顯示了它的優(yōu)點，而且對病變部位非常敏感，圖像也很清晰。若將核磁共振的頻率變數(shù)增加到兩個或多個，可以實現(xiàn)二維或多維核磁共振，從而獲得比一維核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像應(yīng)用僅限于氫核，但從實際應(yīng)用的需要，還要求可以對其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進行核磁共振成像。C13已經(jīng)進入實用階段，但仍需要進一步擴大和深入。核磁共振與其他物理效應(yīng)如穆斯堡爾效應(yīng)（射線的無反沖共振吸收效應(yīng)）、電子自旋共振等的結(jié)合可以獲得更多有價值的信息，無論在理論上還是在實際應(yīng)用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應(yīng)用前景，伴隨著脈沖傅里葉技術(shù)已經(jīng)取得了一次突破，使C13譜進入應(yīng)用階段，有理由相信，其它核的譜圖進入應(yīng)用階段應(yīng)為期不遠。對人體沒有游離輻射損傷；各種參數(shù)都可以用來成像，多個成像參數(shù)能提供豐富的診斷信息，這使得醫(yī)療診斷和對人體內(nèi)代謝和功能的研究方便、有效。能獲得腦和脊髓的立體圖像，不像CT（只能獲取與人體長軸垂直的剖面圖）那樣一層一層地掃描而有可能漏掉病變部位；能診斷心臟病變，CT因掃描速度慢而難以勝任；對軟組織有極好的分辨力。對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部位的檢查優(yōu)于CT；原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。 參考文獻：1 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