实验7-1 核磁共振实验

实验7-1 核磁共振

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）于1946年由美国的两位科学家布洛赫（Bloch，用感应法发现液态水的核磁共振现象）和伯塞尔（Purcell，用吸收法观测到石蜡中质子的核磁共振）分别发现，为此，他们分享了1952年诺贝尔物理学奖。

早期的核磁共振主要采用连续波技术，灵敏度较低，研究的对象是自然丰度高、旋磁比较大的原子核，如1H、19F等，这就限制了核磁共振的应用范围。1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，使信号采集由频域变为时域，大大提高了检测灵敏度，使研究低自然丰度的核成为现实，同时，这种方法还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（Jeener）提出了具有两个独立时间变量的二维核磁共振概念，随后，1974年恩斯特（Ernst）等首次成功地实现了二维核磁共振实验，从此核磁共振技术进入一个新时代。琴纳获得了1991年的诺贝尔化学奖。

核磁共振是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，是物理学、化学、生物学研究中一种重要、强大的实验手段，也是其它应用学科的重要研究工具。例如，今天广泛使用的核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术，其始于20世纪60年代末，并于20世纪80年代形成实用产品，投入临床应用。它不同于传统的X线CT，对人体无放射性损害。其利用人体中的H质子在强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，把以电磁形式放出的核磁共振信号接收转换，通过计算机最后形成图像，以做诊断。由于它分辨率高、对比度好、信息量大，特别对软组织层次显示的好，所以它一出现就受到影像诊断工作者和临床医生的欢迎，目前已成为对一些疾病的诊断必不可少的检查手段。2003年，美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德，因在核磁共振成像领域的关键性发现，获得了诺贝尔生理学或医学奖。

研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场（即旋转磁场B1）作用到原子核系统上，观察到原子核系统对频率的响应信号；另一种是脉冲法，用射频脉冲作用在原子核系统上，观察到原子核系统对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度和测量速度，但需要进行快速博里叶变换，技术要求较高。

核磁共振信号分色散信号和吸收信号。但一般观察吸收信号，因为比较容易分析理解。从信号的检测来看，又包括感应法、电桥法和自差法。如果测量的是核磁矩吸收射频场（旋转磁场）能量而在附近线圈中产生的感应信号，称为感应法，也称为交叉线圈法或布洛赫法；如果是测量由于共振使电桥失去平衡而输出的电压即为电桥法，也称平衡法；直接测量由于共振使射频振荡线圈中负载发生变化的方法为自差法，也称为负载法或边限振荡器法。这三种方法各有优缺点，在实验设计时必须充分考虑。

本实验是用连续波，通过扫场调节，并由自差法检测来研究核磁共振吸收现象的。

【实验目的】

1、掌握核磁共振的基本原理和实验方法。

2、分析各种因素对核磁共振现象的影响。

3、观察几种物质的核磁共振现象，学习测量核磁共振的方法。

【实验原理】

1、核磁共振基础

原子核具有自旋，其自旋角动量为

()

（7-1-1）

p

I

+

=I

1

I

其中I 是核自旋量子数，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，…。

原子核带有电荷，因而具有自旋磁矩，其大小为

()12+==I I g p m e g

N

I N

I μμ （7-1-2）

其中：m N 为原子核质量；g 为核的朗德因子，对质子而言，g=5.586；

2

27

10

0509.52m A m e N

N ⋅⨯==

- μ，称为核磁子。设g m e N

2=

γ为核的旋磁比，则

I I p γμ= （7-1-3）

核自旋磁矩在恒定外场B 0的作用下，会发生进动，进动角频率ω0为

00B γω= （7-1-4）

由于原子核的自旋角动量I p 的空间取向是量子化的，若设B 0沿z 轴方向，则I p 在z 方向上只能取

m p z

I

= （I I I I m -+--=,1,,1, ）

其中m 为原子核的磁量子数，有2I+1种可能取值。考虑到z I z

I p γμ=，所以核磁矩与外磁

场B 0的相互作用能为

000mB B B E z I I

γμμ-=-=⋅-= （7-1-5）

原来的一个能级分裂为2I+1个次能级（塞曼分裂），相邻次能级间的能量差为

000B g B E N μγω===∆ （7-1-6）

显然，在稳恒的外磁场B 0作用下，如果存在一个与B 0和总的核磁矩组成的平面相垂直的旋转磁场B 1，当B 1的角频率等于ω0时，原子核将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振（相关理论参阅本章概述）。

2、稳态时的核磁共振

产生核磁共振信号的具体方式有两种：一是固定B 0，让B 1的角频率ω连续变化而通过共振区，当00B γωω==时，则出现共振信号，此为扫频法；若使B 1的角频率不变，让B 0连续变化而扫过共振区，使得00ωγ=B ，出现共振信号，则为扫场法。由于技术上的原因，大多数的核磁共振谱仪都采用扫场方式。

为了提高信噪比，并获得稳定的共振信号，一般要在稳恒磁场B 0上加一个交变低频调制磁场（扫描磁场）t B B m m ωsin ~

=。调制磁场由线圈提供，称为扫场线圈，线圈中的电

流可以连续改变，从而引起调制磁场幅度的连续变化。这样，测试样品所在的实际磁场为

B B B ~0+=，如图7-1-1（a ）。这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率()

B

B ~

00+=γω