核磁共振实验报告姓名牟蓉学号201011141054日期2013.4.11指导老师王海燕摘要本实验利用连续核磁共振i普仪测最了不同浓度的CuSOi水溶液的共振信号，并估算样品 的横向弛豫时间同时利用核磁共振仪采用90 -180 双脉冲自旋冋波法测最其横向弛豫 时间。两种方法都能观察到核磁共振现彖，并且随着CuSOq浓度增加，其横向弛孜时间逐渐 减小。关镀词核磁共振连续核磁共振波谱仪脉冲波谱仪自旋回波法横向弛豫时间一引言核磁共振技术NMR是由布洛赫Felix Bloch和玻赛尔Edward Puree 11于1945年分别独立的发明的，大人提高了核磁矩测量的精度，从发现核磁共振现象而产生的连续波 核磁共振技术，到70年代初提出的脉冲傅里叶变换PFT技术和后來的核磁共振成像，在 核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔物理学家。NBR不仅是一种直接而准确的测量原子核 磁矩的方法，而且己成为研究物质微观结构的工具，如研究冇机大分子结构，精确测量磁场 及固体物质的结构相变，另外还成为了检杳人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗 传学等领域都令巫要应用。本实验以水中的氢核为主要对象，通过用了两种方法测虽不冋浓度的溶液的横向池豫时 间，来掌握孩磁共振技术的基本原理和观测方法。二、实验原理1.核SK共振的量子力学描述当原子孩置于外磁场目中，由于核磁矩与外磁场的相互作用使得原子核获得附加能量，即E P | 5 u zB 丫 ZiB1其中宵为核磁矩，丫为旋磁比，Y 孚。在磁能级分裂后，相邻两个磁能级间的能屋差AE YhB二办3。遵守磁能级之间跃迁的 量子力学选择定则，若住垂直于E的平面内加上一个射频做场，当f唔时，处于较低能态的核会吸收电磁辐射的能最而跃迁到较高能态，即核磁共振。2.核磯共振的宏观理论在外磁场中核磁矩的取向最子化基础上，布洛赫利用法拉第电磁感应理论，建芷了著名 的布洛赫方程，用经典力学的观点系统地描述了核磁共振现彖。有角动量P和磁矩“的粒子在外磁场直中受到力矩L /7xB的作用，其运动方程为dP - _ - L 27x B dt将2式代入上式，得Xf/xB3dt当磁矩在外加静磁场耳沿z轴方向中，若令珂卜耳对式3进行求解得心sinsiniH qI J ism方向上施加一射频磁脉冲其脉冲宽度满足tpTv tp T2o在施加脉冲前.“处在热平衡状态，方向与Z轴重合；施加脉冲后，Ni以角频率了耳绕卍轴进动。Ni转过的角度 厂环戸称作倾倒角（如图1（a）所示）。脉冲宽度恰好使8 90。或 180。,称这种脉冲为90或180脉冲。2）自旋回波法测量横向弛豫时间口旋回波是一个利用双脉冲或多个脉冲來观察孩磁共振信号的方法，它M以排除磁场非 均匀性的影响，测出横向弛豫时间丁2。先在样品上加一个90的射频脉冲.经过r时间后再施加一个180的射频脉冲，这些 脉冲序列的宽度tp和脉距r应满足卜列条件T； G V ThT290-r-180脉冲序列的作用结果如图3 所示。在90射频脉冲后即观察到FID信号（自 由感应衰减信号）在180。射频脉冲作用后,对应于初始时刻2处可以观察到一个“回波” 信号。由于是在脉冲序列作用卜核自旋系统的 运动引起的，故称为自旋回波。自旋回波的产生过程如图4所示，（a）中体磁化强度Nt在90射频脉冲的作用卜绕疋轴转到才轴上；b中脉冲消失后，核磁矩自由进动，受毘不均匀的影响，样品中磁矩的 进动频率不同，使磁矩相位分散并呈扇形展开c中180射频脉冲的作用使僦化强度的各 个分量绕疋轴翻转180 ,并继续按原来的转动方向转动d中t 2r时刻，恰好各磁化 强度分量刚好汇聚到-才轴上，形成自旋回波；e中t2r后，磁化强度各个欠量继续转动而又呈扇形展开。abcde图490t180自旋回波形成的矢量图解三、实验装置及内容本实验主要用到连续核磁共振波谱仪、脉冲核破共振谱仪等。连续核磁共振波谱仪如图5所示，主要由水磁头、探头、射频边限振荡器和示波器组成。磁铁提供样品核能级塞曼分裂所需要的 恒定磁场探头由射频振荡线圈L、调 场线圈Lm和Lm和样品组成。工作时，射 频边限振荡器对射频振荡线圈L输出的射频 场R与R垂直。射频信号经检波、低频放大 后，用示波器显示振荡幅度的变化情况.脉冲核磁共振仪的结构简图如图6所示，主要由永磁铁、匀场线圈、射频脉冲发生器、射频探头和信号釆集系统组成。图6脉冲核磁共振仪的结构简图内容 用连续核磁共振谱仪分别测量0.05.0.5E和1的CuS04水溶液的共振信号人小 按图5安放好各实验仪器，调出共振波形，记录波形，并估计样品的表观横向弛豫T2*o 用脉冲核磁共振仪用自旋回波法分别测量浓度为0.05.0.5、1和5的CuS04水 溶液的横向弛滋时间T2四、实验数据及结果分析实验测得共振频率为2.01755*107Hz,同时实验给出B0二4697GS二0.4697T,打场频率为50Hz1.连续核磁共振实验中，分析横向弛豫时间与样品浓度的关系表1表观横向弛豫时间TJ随浓度变化表样品浓度0.050.515YOV7.405.609.047.84YV2.281.162.561.28X0 ms3.602.443.243.08Xms1.121.121.161.20T ms0.280.280.240.24T,ms0.240.240.210.21由图表町得随着样品浓度的不断增人，衣观横向地豫时间总体呈减小趋势，但是变化并 不明显。且由于共振信号估算弛豫时间，误差较大.2、分析脉冲核磁共振实验中，弛豫时间T与样品浓度的关系表2弛豫时间T随样品浓度变化表浓度T mst2ms0.0575.49.30.159.45.40.240.94.10.420.52136.91.850.7在脉冲孩磁共振实验中，如表2所示，横向弛豫时间T基本随样品浓度增人而减小，样品浓度为5的横向弛豫时间无法测量，这是因为5CuS01溶液的横向弛豫时间太短，不 能够满足tpTl.T2的条件，因此观察不到回波，它的横向弛豫时间就无法测最。由此町见，对于较高浓度的溶液，脉冲核磁共振不适用。分析两种不同方法得到的随CuSOl溶液浓度增加T减少。原因在于顺磁牲的Cu离子 与核自旋冇较强的相互作用，使样品中局部磁场增犬，磁矩更易恢复到平衡状态，所以横向 弛豫时间随着顺磁离子浓度的升高而缩短。即体现在横向弛豫时间随着CuS04溶液浓度的增 高而减小。3、测量样品的相对化学位移甘油无二甲苯9470-9367二 103Hz分析甘油中的H原子核都是等价的，而在二甲苯中苯中的H和单键匕的H不等价，因 此存在化学位移。k 0.05CuS01溶液的核磁共振信号不同于其他信号的原因0.05CuS04共振图像左侧冇类似尾波的波形，且最深溶液浓度的增加，波形幅度减小，在1CuS04共振图像的左侧已经看不到波形。这是由于0.05CuS04溶液的横向弛豫时间较 长，上一个共振信号产生的弛豫还没有恢复，就出现了卜一个弛像信号。五、结论本实验用连续核磁共振谱仪测量观察了浓度为0.05.0.5、理、5的CuSOi水溶液的共 振佶号人小，并测得表观横向弛豫时间T；分别为0.28ms、0.28ms、0.24ms、0.21ms,用脉 冲核磁共振仪以自旋回波法测得0.05.0.1、0.2、0.4.1的CuSO冰溶液的横行弛豫 时仙T2分别为75.4ms、59.1ms 40.9ms、20.5ms、36.9ms,町发现随溶液浓度的升高，样 品的核磁共振信号减弱，表观横向弛豫时间和横向地豫时间都缩短。经分析得到，脉冲法比 连续法测最弛豫时间更准确。六、参考文献近代物理实验熊俊