核磁共振及其发展

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1、核磁共振及其发展作者：相关链接： 摘要1946年，哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)用吸收发首次观测到石蜡中质子的核磁共振（NMR），几乎同时美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)用感应法发现液态水的核磁共振现象。为此，他们分享拉1952年的诺贝尔物理学奖金。核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。早期的核磁共振主要采取连续波技术，灵敏度较低，研究的对象是自

2、然丰度高，旋磁比较大的原子核，这就限制拉核磁共振的应用范围。1966年发展起来的脉冲傅立叶变换核磁共振技术，使信号采集由频域变为时域，大大提高拉检测灵敏度，使研究底自然丰度的核成为现实。同时这种方法可以利用不同的脉冲组合来得到所需要的分子信息。1971年，琴纳（E。JEENER）提出拉具有两个独立时间变量的二维核磁共振概念。随后，1971年，恩斯特（R。ERNST）等首次成功实现拉二维核磁共振实验，从此核磁共振技术进入拉一个新时代。关键词核磁共振，核自旋，核磁距引言核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，

3、并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。本实验的目的是观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法。正文n       磁共振的基本原理l       核自旋原子核具有自旋，其自旋角动量为：     (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时，I=0，1，2，…，当质量数为奇数时，I=n/2（n=1，3，5…）。l       核磁距原子核带有电荷，因

4、而具有自旋磁距，其大小为：     (2)     (3)式中g为核的朗德因子，对质子，g=5.586，为原子核质量，为核磁子，，令     (4)显然有     (5)称为核的磁旋比。l       核磁距在外磁场中的能量核自旋磁距在外磁场中会进动，进动的角频率：     (6)为外恒定磁场。核自旋在角动量的空间趋取向是量子化的。设z轴沿方向，在z方向分量只能取     (7)     (8)则核磁距所具有的势能为     (9)对于氢核，I=1/2，m=1/2,E=1/2                (10)正比于，由于约等于电子质

5、量的1/1840，故在同样的外磁场中，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。l       核磁共振实现核磁共振，必须有一个恒定的外磁场及一个与和总磁距m所组成的平面相垂直的旋转磁场，当的角频率等于时，旋转磁场的能量为，则核吸收此旋转的能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振，此时应满足     (11)     (12)     (13)为普朗克常数。n       研究核磁共振的方法研究核磁共振的基本方法有两种：一是连续波或称稳态方法，是用连续的射频场作用到核系统上，

6、观察到核对频率的的响应信号。另一种是用脉冲法，用射频脉冲作用到核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速傅立叶变换，技术要求比较高，以观察信号区分，可分观察色散信号或信号，但一般观察吸收信号，因为比较容易分析理解，从信号的检测来分，可分为感应法，平衡法和吸收法。测量共振时，核磁距吸收射频场能量而在附近线圈中感应到的信号，称为感应法；测量由于共振使电桥失去平衡而输出的电压即为平衡法；直接测量由于共振信使射频震荡线圈中负载发生变化的方法称为吸收法，本实验主要采用连续波吸收法来观察核磁共振现象。先列举些

7、其他重要方法。l       吸收法优点是比较简单，样品不易饱和，缺点是振荡频率的稳定性较差，噪音电平较高。一般只用于宽谱的波谱仪与测场仪。l       平衡法优点是频率稳定好，噪音低，缺点是频率调谐范围不够宽。常用于灵敏度和分辨力高的波谱仪。l       傅里叶(Fourier)变换可以看出转换比较麻烦，技术含量较高。傅立叶变化是通过计算机进行的，单次脉冲方式与连续波方式的信号强度和信噪比近似相同，但速度较快。脉冲核磁共振谱可以通过施加一系列的脉冲，累加多次重复FID信号，再进行傅立叶变换，以提高信噪比。由于脉冲法的特点，它可以检测

8、瞬时或长寿命的核，可以有选择性地增强灵敏度。n       核磁共振新技术l       二维核磁共振及多维核磁和共振二维核磁共振的脉冲序列：二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化，它