核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收(預(yù)習(xí))

1、核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收(預(yù)習(xí)報(bào)告)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解核磁共振的基本原理2. 利用核磁共振測(cè)量樣品的磁旋比y、核朗徳因子gn和原子核磁矩u i3了解利用核磁共振精確測(cè)量磁場(chǎng)的方法二、實(shí)驗(yàn)原理核磁共振(nmr)是指受電磁波作用的原子核系統(tǒng)在外磁場(chǎng)中磁能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷 的現(xiàn)象。原子核自旋和磁矩的概念是泡利(w.panli)于1924年為解釋原子光譜的超精細(xì)結(jié) 構(gòu)而提出的。核自旋量子數(shù)為整數(shù)或半整數(shù)，具有不為零的角動(dòng)量pi和滋矩u i ,他們 的關(guān)系為(2-3-1)式屮gn為核朗徳因子，是一個(gè)因核而異的常數(shù)；mp為原子核質(zhì)子的質(zhì)量。由于mp 比me (電子質(zhì)量)大1836倍，從而核磁距比電子磁矩小約3個(gè)

2、數(shù)量級(jí)。若引入核磁子“/v = eh/2mp，則式(2-3-1)可改寫為(2-3-2)/“ = gn 岸卩1 =式中h = h/2n為約化普朗克常數(shù);旋磁比y表示原子核磁矩與角動(dòng)1ft的比值，兩者均為反映核結(jié)構(gòu)的常數(shù)。由上式,可得到旋磁比7與核朗徳因子刖的關(guān)系(2-3-3)hx 酬=曲根據(jù)杲子物理原理，在外磁場(chǎng)b中原子核角動(dòng)【歆所對(duì)應(yīng)的原子總磁矩佝與磁場(chǎng)的相 互作用能量為e = 一 宀 b = ym/hb = gntnigb(2-3-4)式中磁量子數(shù)叫=/,/-1, - /,這意味著具有盤子數(shù)/精細(xì)結(jié)構(gòu)中的各能級(jí)在外磁場(chǎng)b 中將進(jìn)一步分裂為(2/ +1 )個(gè)賽曼能級(jí)，兩相鄰能級(jí)之間的能世差ae

3、 =： gnb(2-3-5)若在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的外磁場(chǎng)b的方向施加一頻率為為的交變電磁場(chǎng)，當(dāng)丿和b之 間滿足ilv = = g 臚 yyp(2-3-6)則原子中電子吸收能址hv從塞曼分裂的低能級(jí)躍遷到離能級(jí)，即核磁共振躍遷。顯然，塞曼 能級(jí)間隔正比于外磁場(chǎng)，在通常實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，相鄰塞曼能級(jí)間隔很小,從而共振躍遷所吸收 或發(fā)射的址子能皇處于比光頻小得多的射頻輻射駅子hv的能尿范碉。由于核磁矩比電子磁 矩小約三個(gè)數(shù)蛍級(jí)，目前在實(shí)驗(yàn)室仍難以實(shí)現(xiàn)微波頻段的核磁共振觀測(cè)。在熱平衡時(shí)，粒子布居數(shù)服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，處于能級(jí)倫與q的粒子數(shù)“2與/v, 之比為常jfl下e2 - e v kt ,對(duì)于兩個(gè)相

4、鄰塞曼能級(jí),近似有也-1 _繼二 1 -她曲（2-3-8）/vj " 1 kt 1 kt上式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為絕刈溫度。顯然，山于v腫,，故式（2 -3-8）的數(shù)值接近 于1。盡管能級(jí)間粒子數(shù)差厶/v = /v, - n2 = ne/kt很小從而使得核磁共振信號(hào)很微弱, 但卻足它提供了觀測(cè)核磁共振的町能性。從上述分析町知，磁場(chǎng)越強(qiáng)，溫度t越低，則布居 數(shù)差越大，磁共振信號(hào)越強(qiáng)。與電子自旋共振情形相似，磁共振吸收將使高底能級(jí)上粒子數(shù)趨于相等而離開平衡狀 態(tài)，山于相互作用，處于髙能態(tài)的粒子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后將返回低能態(tài)，使能級(jí)上粒子分布 又恢復(fù)到原來(lái)的平衡態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為她豫過(guò)程，

5、它所經(jīng)歷的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。山于弛豫 過(guò)程，受激離開平衡態(tài)粒子將通過(guò)能業(yè)交換回到平術(shù)態(tài)為下一次的磁共振吸收做好準(zhǔn)備；從 而周期性共振激發(fā)使我們可以觀測(cè)到穩(wěn)定的核磁共振信號(hào)。吸收信巧與核n旋系統(tǒng)的弓也稼過(guò)程有關(guān)?？谛痪Ц竦卦ナ购四芗?jí)譜線具冇一定寬度, 自旋一自旋弛像致便滿足共振條件的外磁場(chǎng)b并非單一值,兩者的作用使?jié)M足共振條件（2 - 3 -6）的外磁場(chǎng)b具有一定的展寬。三、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-3-1所示。它由電磁鐵及其電流源、掃場(chǎng)線圈及其電源、邊限振蕩器、 探頭（包括樣品）、（數(shù)字）頻率計(jì)數(shù)器、特斯拉計(jì)（或高斯計(jì)）和雙通道示波器（或計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）等組成。圖2-3-1核磁共振吸收

6、實(shí)驗(yàn)裝置框h以下介紹實(shí)驗(yàn)裝置的主要部分。1. 穩(wěn)恒磁場(chǎng) 由電磁鐵及其電流源組成，它提產(chǎn)生能級(jí)塞曼分裂的穩(wěn)怛外磁場(chǎng)3。涮 節(jié)稔流電源改變通過(guò)電磁飲線圈的勵(lì)磁電流即改變外磁場(chǎng)b的強(qiáng)度，磁極中心區(qū)域可視另 均勻磁場(chǎng)。2. 掃場(chǎng)（或掃描磁場(chǎng)） 產(chǎn)生一較弱的調(diào)制磁場(chǎng)（通簾為50hq疊加在主磁場(chǎng)上，使 作用于樣品的外磁場(chǎng)周期性變化，即磁場(chǎng)掃描。每當(dāng)總磁場(chǎng)掃過(guò)磁共振點(diǎn)時(shí)，樣品發(fā)生共振 吸收，在示波器上可觀測(cè)到一個(gè)吸收hit采用50hz的交變信號(hào)掃描，通過(guò)共振區(qū)所用 的時(shí)間并不比弛豫時(shí)間長(zhǎng)很多，所以共振信號(hào)會(huì)有尾波。3. nmr探頭 它包括邊限振蕩器、高頻放人器、檢波和低頻放大器等，樣品放豐在 邊限振蕩器的振

7、蕩線圈內(nèi)，線圈軸線與外磁場(chǎng)方向正交。當(dāng)邊限振蕩器起振后，振蕩線圈內(nèi) 產(chǎn)生等幅振蕩的射頻場(chǎng)作用于樣品。發(fā)生共振時(shí)，樣品吸收射頻場(chǎng)能駅使得回路的q值下 降，導(dǎo)致振蕩變?nèi)跽穹鶞p小，即射頻振莎受到共振吸收的調(diào)制。被凋制的射頻信號(hào)，經(jīng)檢波 和淤波后便得到nmr吸收信號(hào)。射頻信號(hào)通過(guò)高頻放大，由頻率計(jì)測(cè)貳其頻率。從上分析 可知，nmr探頭系統(tǒng)兼有射頻發(fā)射和共振信號(hào)吸收雙重功能。核磁共振-磁場(chǎng)電源掃描調(diào)節(jié)mfc調(diào)節(jié) 粗調(diào)細(xì)調(diào)ooo電源o掃描輸出°直流輸出oo圖2-3-2核磁共振磁場(chǎng)電源詢面板示總圖核磁共振磁場(chǎng)電源前面板如圖2-3-2所示。“宜流輸出”捉供穩(wěn)恒磁場(chǎng)所礙的勵(lì)磁電 流，通過(guò)“吃流調(diào)節(jié)”旋

8、鈕改變磁場(chǎng)強(qiáng)度?！按终{(diào)”用于搜索nmr信號(hào)，“細(xì)調(diào)”使共振信 號(hào)處于選定的觀測(cè)點(diǎn)?！皰邎?chǎng)輸出”為5011z的正弦波驅(qū)動(dòng)掃場(chǎng)線選圈,其幅度由“掃場(chǎng)凋 節(jié)”旋鈕改變。選定射頻場(chǎng)頻率”,通過(guò)改變外磁場(chǎng)b使?jié)M足式（2 - 3 - 6）獲得磁共振信號(hào)，稱為掃場(chǎng) 法;設(shè)定的外磁場(chǎng)，通過(guò)改變射頻場(chǎng)頻率卩獲得磁共振信號(hào)，則為掃頻法。為便于操作，木 實(shí)驗(yàn)建議采用掃場(chǎng)法，且采用正弦波掃場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。通常采用雙曾道示波器（或計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）：一個(gè)通道觀測(cè)掃場(chǎng)信號(hào)；另一個(gè)通道觀測(cè)磁共振信境。主磁場(chǎng)（即穩(wěn)恒磁場(chǎng)）與掃場(chǎng)（或掃描磁場(chǎng)）卷加使作用樣陽(yáng)的總外磁場(chǎng)產(chǎn)牛.周期性 變化，通常采用固定掃場(chǎng)強(qiáng)度的方法。若改變穩(wěn)

9、恫磁場(chǎng)，使總磁場(chǎng)穌位到達(dá)共振點(diǎn)，掃場(chǎng)每 周期產(chǎn)生一次共振吸收信號(hào)，且處于止弦波掃場(chǎng)的波蜂；若使總僦場(chǎng)谷位滿足共振，則掃場(chǎng) 每周期一次的共振吸收信號(hào)產(chǎn)生于正弦波掃場(chǎng)的波谷處。當(dāng)共振點(diǎn)處于波郵與波谷之間時(shí), 磁場(chǎng)毎周期將有兩次掃過(guò)滿足式（2-3-6）的共振點(diǎn)，從而可觀測(cè)到兩個(gè)nmr吸收信號(hào) （毎周期）。進(jìn)丁步微凋穩(wěn)恒磁場(chǎng)，可觀測(cè)到吸收信號(hào)的相對(duì)位移，吸收峰的間距相應(yīng)地發(fā)生 變化。當(dāng)吸收峰等間距時(shí),核磁共振發(fā)生在正弦波掃場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)。此時(shí),穩(wěn)恒磁場(chǎng)即為共振磁 場(chǎng)。在磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，席采用吸收峰等間距方法觀測(cè)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量用儀器的使用操作，懂得調(diào)節(jié)穩(wěn)恒磁場(chǎng)、掃場(chǎng)、射頻場(chǎng)和測(cè)定邊限 震蕩

10、器的工作頻率。振蕩器輸出經(jīng)驗(yàn)波和低放后的信號(hào)接示波器ch2,掃場(chǎng)信號(hào)的分壓經(jīng)相 移器后輸入示波器ch1并起同步觸發(fā)作用。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置和儀器。設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)即可 進(jìn)行以下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。（-）觀測(cè)1h核的旋磁比丫、朗德因子gn和磁矩u i（1）將裝有1h核樣品的玻璃管插入震蕩線圈中并放置在電磁鐵的中心位置，使震蕩 線圈軸線與恒穩(wěn)磁場(chǎng)方向相互垂直。（2）調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膾邎?chǎng)強(qiáng)度，緩慢調(diào)節(jié)穩(wěn)恒磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，搜索（nmr）信號(hào)。(3) 改變射頻場(chǎng)強(qiáng)度，觀察記錄吸收信號(hào)幅度的變化；改變掃場(chǎng)強(qiáng)度，觀察記錄吸收信號(hào)赫度的變化；改變樣品在磁場(chǎng)中位觀，觀察記錄磁場(chǎng)均勻度對(duì)吸收信號(hào)波形的彫響。找出 報(bào)隹的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)條件，并采用吸收峰等間距方法觀測(cè)共振吸收信號(hào)。(4) 由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)昴射頻場(chǎng)頻率“，用高斯計(jì)測(cè)量樣品所在處的穩(wěn)恒磁場(chǎng)強(qiáng)度b o(5) 由所測(cè)得數(shù)據(jù)，求出f核的旋磁比人朗徳因子&卅和如磁矩。(6) 測(cè)駅多組(,采用簡(jiǎn)單的平均方法或直線擬合方法，分析實(shí)驗(yàn)測(cè)駅值及其誤 誓，并