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1、核磁共振实验核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波,灵敏度较低,1966年发展起來的脉冲傅里叶变换核磁共振技术,将信号采集山频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。核磁共振的物理某础是原子核的白旋。泡利在1924年提出核白旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现屮子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和屮子自旋之和，只有质子数和屮子数两者或者其屮之一为奇数时，原子核具有自旋和动屋和磁矩。这类原
2、子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。一、基础知识1•具有自旋的原子核，其自旋角动量P为P=J"I+1)方⑴⑴式中，/为白旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。h=—,h为普朗克常数。2龙自旋的核具有磁矩“，“和自旋介动量P的关系为“=yP(2)(2)式中，了为旋磁比。在外加磁场时,核自旋为Z的核处于(2Z+1)度简并态。外磁场时,角动量P和磁矩〃绕色)(设为z方向)进动，进动角频率为：©)=yB()⑶(3)式称为拉摩尔进动公式。拉摩尔进动公式可知，核磁矩在恒定磁场屮将绕磁场方向作进动，进动的角频率©)取决于核的旋磁比了和磁场磁感应强度B。的大小。
3、由于核自旋角动量戶空间取向是量子化的。戶在z方向上的分量只能取(2/+1)个值，即：P：=mh(m=/,/一1,…，一/+1,-/)(4)加为磁暈子数，相应地=YPz=Ym力(5)此时原(2/+1)度简并能级发牛塞曼分裂，形成(2/+1)个分裂磁能级E——fl•B{)=一“cos0B{}==—/hmB{}(6)相邻两个能级之间的能量差AE=ytiB=PicOq（7）对1=1/2的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上卞两个能级。2.核磁共振实现核磁共振的条件：在一个恒定外磁场B（）作用下，另在垂直于B（）的平而（兀，y平而）内加进一个旋转磁场E，使目转动方向少“的拉摩尔进动同方向，见图1—纸如§
4、的转动频率Q与拉摩尔进动频率©.相等时，“会绕B。和d的合矢量进动，使〃与的夹角&发生改变，&增大,核吸收d磁场的能量使势能增加，见式（6）。如杲角的旋转频率血与不等，白旋系统会交体地吸收和放出能量，没有净能量吸收。因此能量吸收是一种共振现象，只有目的旋转频率⑵与“0相图l-a拉摩尔进动2Dicosst等使才能发牛共振。图l-b直线振荡场旋转磁场d可以方便的由振荡回路线圈中产牛的直线振荡磁场得到。因为一个2B,coscot的直线磁场，可以看成两个和反方向旋转的磁场勺合成，见图1—b。一个与拉摩尔进动同方向，另一个反方向。反方向的磁场对“的作川可以忽略。旋转磁场作川方式可以采川连续波方式也可以采
5、用脉冲方式。3.体磁化强度因为磁共振的对象不可能单个核，而是包含人量等同核的系统，所以用体磁化强度历来描述,N核系统衍和单个核庄的关系为：叼=工几，必体现了原子核系统被磁化的程度。具有磁矩的/=1核系统，在恒磁场的作用下，宏观体磁化矢量M将绕&）作拉摩尔进动，进动角频率5二YB。4•射频脉冲磁场角瞬态作川如引入一个旋转朋标系（x',y',z），z方向与B（）方向重合，坐标旋转幷频率血=何，则M在新处标系中静止。若某时刻，在垂直于&方向上施加一射频脉冲，其脉冲宽度「满足tp«Tlftp«T2（T,,3为原子核系统的驰豫时间），通常可以把它分解为两个方向相反的圆偏振脉冲射频场，其屮起作川的是施加在
6、轴上的恒定磁场5,，作川时间为脉宽°,在射频脉冲作丿IJ前衍处在热平衡状态,方向与Z轴（z‘轴）重合,施加射频脉冲作用，则衍将以频率酒绕兀'轴进动。(a)(b)(c)图2M转过的角度6=蚀（如图2-a）称为倾倒角，如果脉冲宽度恰好使0=tt/2或&=龙，称这种脉冲为90°或180°脉冲。90°脉冲作用下M将倒在±,180°脉冲作用FM将倒向一Z方向。=yB.tp可知，只要射频场足够强，则。值均可以做到足够小而满足tp«T,,T2,这意味着射频脉冲作用期间驰豫作用可以忽略不计。5.脉冲作用后体磁化强度叼的行为一一自由感应衰减（F1D）信号设t=0时刻加上射频场幼，到/=。时M绕B、旋转90°而倾
7、倒在y'轴上，这时射频场B、消失，核磁矩系统将由驰豫过程冋复到热平衡状态。其屮M/tM（）的变化速度取决于7；,MxTO和（）的衰减速度収决于在旋转坐标系看來，历没有进动，恢复到平衡位置的过程如图3—a所示。在实验室处标系看来，叼绕Z轴旋进按螺旋形式回到平衡位置，如图3-b所示。图390°脉冲作用后的驰豫过程在这个驰豫过程中，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
