核磁共振基本原理40页PPT
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光谱学-核磁共振课件(共86张PPT)

第二页,共八十六页。
从核磁共振氢谱、核磁共振碳谱到核磁共振二维谱,从永久 磁铁仪器、电磁铁仪器到超导磁体仪器,从连续波仪器到脉冲付 里叶变换仪器,从低磁场仪器(40兆赫、60兆赫、80兆赫、90兆 赫、100兆赫)到高磁场仪器(200兆赫、300兆赫、400兆赫、500 兆赫、800兆赫、900兆赫),核磁共振技术正以迅猛发展之势日 新月异。核磁共振在有机化学、植物化学、药物化学、生物化学 (shēnɡ wù huà xué)和化学工业、石油工业、橡胶工业、食品工业、医药 工业等方面应用越来越广泛。
核磁共振 (NMR) (hé cí ɡònɡ zhèn)
Nuclear magnetic resonance(NMR)
第一页,共八十六页。
一. 简 介 1. 发展概况
核磁共振(NMR)是根据有磁矩的原子 核
(如1H、13C、19F、31P等),在磁场的作用下,能够
(nénggòu)产生能级间的跃迁的原理,而采用的一种新技 术。这种新技术自1946年发现,中经50年代末高分辨 核磁共振仪问世以来,现已有很大发展。
第十页,共八十六页。
核磁矩在外磁场方向(fāngxiàng)上的分量μz亦量子化:
z
Pz
mh 2
第十一页,共八十六页。
3、核的进动(jìn dònɡ)
将自旋核放在外磁场H0中时,自旋核的行为就像一 个在重力场中做旋转(xuánzhuǎn)的陀螺,即一方面自旋, 一方面由于磁场作用而围绕磁场方向旋转(xuánzhuǎn),这 种运动方式称为进动,又称为Larmor进动。其进动频 率称为Larmor频率υ0, υ0∞H0
低场
向左
向右 磁场强度
( 增大(zēnɡ dà))
( 减小)
从核磁共振氢谱、核磁共振碳谱到核磁共振二维谱,从永久 磁铁仪器、电磁铁仪器到超导磁体仪器,从连续波仪器到脉冲付 里叶变换仪器,从低磁场仪器(40兆赫、60兆赫、80兆赫、90兆 赫、100兆赫)到高磁场仪器(200兆赫、300兆赫、400兆赫、500 兆赫、800兆赫、900兆赫),核磁共振技术正以迅猛发展之势日 新月异。核磁共振在有机化学、植物化学、药物化学、生物化学 (shēnɡ wù huà xué)和化学工业、石油工业、橡胶工业、食品工业、医药 工业等方面应用越来越广泛。
核磁共振 (NMR) (hé cí ɡònɡ zhèn)
Nuclear magnetic resonance(NMR)
第一页,共八十六页。
一. 简 介 1. 发展概况
核磁共振(NMR)是根据有磁矩的原子 核
(如1H、13C、19F、31P等),在磁场的作用下,能够
(nénggòu)产生能级间的跃迁的原理,而采用的一种新技 术。这种新技术自1946年发现,中经50年代末高分辨 核磁共振仪问世以来,现已有很大发展。
第十页,共八十六页。
核磁矩在外磁场方向(fāngxiàng)上的分量μz亦量子化:
z
Pz
mh 2
第十一页,共八十六页。
3、核的进动(jìn dònɡ)
将自旋核放在外磁场H0中时,自旋核的行为就像一 个在重力场中做旋转(xuánzhuǎn)的陀螺,即一方面自旋, 一方面由于磁场作用而围绕磁场方向旋转(xuánzhuǎn),这 种运动方式称为进动,又称为Larmor进动。其进动频 率称为Larmor频率υ0, υ0∞H0
低场
向左
向右 磁场强度
( 增大(zēnɡ dà))
( 减小)
MRI基本原理精品PPT课件精选全文完整版

进动是核磁(小磁场)与主磁 场相互作用的结果 进动的频率明显低于质子的自 旋频率,但比后者更为重要。
54
= .B
:进动频率
Larmor 频率
:磁旋比
42.5兆赫 / T
B:主磁场场强
55
高能与低能状态质子的进动
由于在主磁场中质子进动,每个氢质子均 产生纵向和横向磁化分矢量,那么人体进 入主磁场后到底处于何种核磁状态?
91
5、磁共振“加权成像”
T1WI
PD
T2WI
92
何为加权???
• 所谓的加权就是“重点突出”
的意思
– T1加权成像(T1WI)----突出组织T1弛豫 (纵向弛豫)差别
– T2加权成像(T2WI)----突出组织T2弛豫 (横向弛豫)差别
– 质子密度加权成像(PD)-突出组织氢质 子含量差别
93
低能量
宏观效应
中等能量
高能量
69
90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态, 高能和低能质子数相等,纵向磁化矢量相互抵消而等于零
使质子处于同相位,质子的微观横向磁化矢量相加,产生 宏观横向磁化矢量
70
氢质子多 氢质子少
90度脉冲激发使质子发生共振,产生最大的旋转 横向磁化矢量,这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈,MR仪可以检测到。
N
S
MR不能检测到纵向磁化矢量,但能检测到旋转的横向磁化矢量
62
如何才能产生横向宏观磁化矢量?
63
3、什么叫共振,怎样产生磁共振?
• 共振:能量从一个震动着的物体传递到另一
个物体,而后者以前者相同的频率震动。
64
共振
54
= .B
:进动频率
Larmor 频率
:磁旋比
42.5兆赫 / T
B:主磁场场强
55
高能与低能状态质子的进动
由于在主磁场中质子进动,每个氢质子均 产生纵向和横向磁化分矢量,那么人体进 入主磁场后到底处于何种核磁状态?
91
5、磁共振“加权成像”
T1WI
PD
T2WI
92
何为加权???
• 所谓的加权就是“重点突出”
的意思
– T1加权成像(T1WI)----突出组织T1弛豫 (纵向弛豫)差别
– T2加权成像(T2WI)----突出组织T2弛豫 (横向弛豫)差别
– 质子密度加权成像(PD)-突出组织氢质 子含量差别
93
低能量
宏观效应
中等能量
高能量
69
90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态, 高能和低能质子数相等,纵向磁化矢量相互抵消而等于零
使质子处于同相位,质子的微观横向磁化矢量相加,产生 宏观横向磁化矢量
70
氢质子多 氢质子少
90度脉冲激发使质子发生共振,产生最大的旋转 横向磁化矢量,这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈,MR仪可以检测到。
N
S
MR不能检测到纵向磁化矢量,但能检测到旋转的横向磁化矢量
62
如何才能产生横向宏观磁化矢量?
63
3、什么叫共振,怎样产生磁共振?
• 共振:能量从一个震动着的物体传递到另一
个物体,而后者以前者相同的频率震动。
64
共振
核磁共振基本原理课件

化学分析
核磁共振波谱法在化学领域中用于分 析物质的化学结构和组成,通过测量 原子核的共振频率来推断分子结构。
核磁共振的重要性
01
02
03
科学研究
核磁共振为科学研究提供 了强有力的工具,帮助科 学家深入了解物质的微观 结构和动态行为。
医学诊断
核磁共振成像技术在医学 诊断中具有重要价值,能 够提高疾病诊断的准确性 和可靠性。
冲宽度等参数。
启动核磁共振谱仪,进 行实验操作,记录数据。
对采集的数据进行预处 理、解析和可视化。
数据解析与处理
01
02
03
04
傅里叶变换
将时间域信号转换为频率域信 号,便于分析不同化学环境的
核自旋。
参数标定
根据已知化合物或标准样品, 标定实验参数,提高分析准确
性。
信号解析
通过化学位移、耦合常数等信 息,解析出分子结构信息。
工业应用
在工业领域,核磁共振技 术可用于产品质量控制、 生产过程监控以及新材料 的研发等。
02 核磁共振的基本原理
原子核的磁性
原子核具有磁性
原子核中的质子和中子具有自旋,从 而产生磁矩。不同原子核的磁矩大小 和方向不同,这决定了它们在磁场中 的行为。
磁矩的表示
磁矩的大小与原子核中的质子数和中子 数相关,通常用希腊字母μ表示。不同 原子核的μ值不同,决定了它们在磁场 中的共振频率。
核磁共振基本原理课件
contents
目录
• 引言 • 核磁共振的基本原理 • 核磁共振的实验技术 • 核磁共振的应用实例 • 核磁共振的未来发展
01 引言
核磁共振的发现
核磁共振的发现
1946年,美国科学家F.Bloch和E.M.Purcell因各自独立发现了核磁共振现象, 共同获得了诺贝尔物理学奖。这一发现为后来的核磁共振技术发展奠定了基础。
磁共振一般原理PPT课件

磁共振一般原理
磁共振信号强度
磁共振一般原理
磁共振一般原理
9.信号与频谱
• 对于一个单一正弦信号可用其幅度和频率描述, 而对于一个复杂的信号可用其频谱来描述,即把 信号进行分解为各种不同的频率成份和不同的 幅度.也即把随时间变化的幅度函数变成随频率 变化幅度函数(二维付立叶变换,2DFT)
磁共振一般原理
磁共振一般原理
电磁波谱图
磁共振一般原理
不同原子核的MRI特性
磁共振一般原理
1.核磁
• 质子、中子或质子 和中子数不成对的 原子核,高速自旋 时产生的磁矩,相 当于一个微型磁棒。
磁共振一般原理
2.磁化
• 如将生物组织置于一个大的外加磁场中 (又称主磁场,用矢量B0表示),则 质子磁矩方向发生变化,结果是较多的 质子磁矩指向与主磁场方向相同,而较 少的质子与B0方向相反,与B0方向相 反的质子具有较高的位能。常温下,顺 主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列 的质子稍多,因此,出现与主磁场B0方 向一致的净宏观磁矩M,如图所示。
• 为了重建图像,必须确定组织间的空间 位置,涉及两个方面:
• 1)层面选择 • 2)层面上共振信号的空间编码
磁共振一般原理
1.层面选择
• 由于共振频率是磁场 强度的函数,在人体 长轴方向上附加一梯 度磁场Gz,则每一 横断面的共振频率均 不一样,层面厚度取 决于磁场梯度和射频 带宽。
磁共振一般原理
磁共振的物理基础
磁共振一般原理
1924年Pauli发现原子核象带电自旋的 球体具有角动量及磁矩, 1945 年Bloch 和 Purcell 证实了原子核 自旋的确实存在, 他 们 为此共同获得了1952 年诺贝尔物理学 奖。
五、六十年代磁共振主要为化学家及
磁共振信号强度
磁共振一般原理
磁共振一般原理
9.信号与频谱
• 对于一个单一正弦信号可用其幅度和频率描述, 而对于一个复杂的信号可用其频谱来描述,即把 信号进行分解为各种不同的频率成份和不同的 幅度.也即把随时间变化的幅度函数变成随频率 变化幅度函数(二维付立叶变换,2DFT)
磁共振一般原理
磁共振一般原理
电磁波谱图
磁共振一般原理
不同原子核的MRI特性
磁共振一般原理
1.核磁
• 质子、中子或质子 和中子数不成对的 原子核,高速自旋 时产生的磁矩,相 当于一个微型磁棒。
磁共振一般原理
2.磁化
• 如将生物组织置于一个大的外加磁场中 (又称主磁场,用矢量B0表示),则 质子磁矩方向发生变化,结果是较多的 质子磁矩指向与主磁场方向相同,而较 少的质子与B0方向相反,与B0方向相 反的质子具有较高的位能。常温下,顺 主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列 的质子稍多,因此,出现与主磁场B0方 向一致的净宏观磁矩M,如图所示。
• 为了重建图像,必须确定组织间的空间 位置,涉及两个方面:
• 1)层面选择 • 2)层面上共振信号的空间编码
磁共振一般原理
1.层面选择
• 由于共振频率是磁场 强度的函数,在人体 长轴方向上附加一梯 度磁场Gz,则每一 横断面的共振频率均 不一样,层面厚度取 决于磁场梯度和射频 带宽。
磁共振一般原理
磁共振的物理基础
磁共振一般原理
1924年Pauli发现原子核象带电自旋的 球体具有角动量及磁矩, 1945 年Bloch 和 Purcell 证实了原子核 自旋的确实存在, 他 们 为此共同获得了1952 年诺贝尔物理学 奖。
五、六十年代磁共振主要为化学家及
《核磁共振》PPT课件.ppt

时间表示;T2 气、液的T2与其T1相似,约为1秒;
固体试样中的各核的相对位置比较固定,利于自旋-自旋间的能量交换,T2很小, 弛豫过程的速度很快,一般为10-4~10-5秒。
弛豫时间虽然有T1、T2之分,但对于一个自旋核来说,它在高能态所停 留的平均时间只取决于T1、T2中较小的一个。因T2很小,似乎应该采用 固体试样,但由于共振吸收峰的宽度与T成反比,所以,固体试样的共振 吸收峰很宽。为得到高分辨的图谱,且自旋-自旋弛豫并非为有效弛豫, 因此,仍通常采用液体试样。
z
pz
hm 2
核磁矩的能级
EZH 2hmH
*
(二) 磁性原子核在外磁场中的行为特性
1、自旋取向与核磁能级
无外加磁场时,核磁矩的取向是任意的,自旋能级相同; 有外加磁场时,核磁矩共有2I+1个取向,用磁量子数(m
)表示每一种取向 m=I,I-1,I-2 … -I+1,-I 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量子化的, 不同
高能态核寿命的量度。 T1取决于样品中磁核的运动,样品流动性降低时,T1增
大。气、液(溶液)体的T1较小,一般在1秒至几秒左右; 固体或粘度大的液体,T1很大,可达数十、数百甚至上千 秒。 因此,在测定核磁共振波谱时,通常采用液体试样。
*
2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)
指两个进动频率相同而进动取向不同(即能级不同)的性核, 在一定距离内,发生能量交换而改变各自的自旋取向。交换能量 后,高、低能态的核数目未变,总能量未变(能量只是在磁核之 间转移),所以也称为横向弛豫。
取向具有不同自旋能级, 这种现象称为能级分裂.
*
当置于外磁场H0中时,相对于外磁场,有(2I+1)种 取向: m为磁量子数,取值范围:I,I-1,…,-I, 共(2I+1)种取向。
固体试样中的各核的相对位置比较固定,利于自旋-自旋间的能量交换,T2很小, 弛豫过程的速度很快,一般为10-4~10-5秒。
弛豫时间虽然有T1、T2之分,但对于一个自旋核来说,它在高能态所停 留的平均时间只取决于T1、T2中较小的一个。因T2很小,似乎应该采用 固体试样,但由于共振吸收峰的宽度与T成反比,所以,固体试样的共振 吸收峰很宽。为得到高分辨的图谱,且自旋-自旋弛豫并非为有效弛豫, 因此,仍通常采用液体试样。
z
pz
hm 2
核磁矩的能级
EZH 2hmH
*
(二) 磁性原子核在外磁场中的行为特性
1、自旋取向与核磁能级
无外加磁场时,核磁矩的取向是任意的,自旋能级相同; 有外加磁场时,核磁矩共有2I+1个取向,用磁量子数(m
)表示每一种取向 m=I,I-1,I-2 … -I+1,-I 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量子化的, 不同
高能态核寿命的量度。 T1取决于样品中磁核的运动,样品流动性降低时,T1增
大。气、液(溶液)体的T1较小,一般在1秒至几秒左右; 固体或粘度大的液体,T1很大,可达数十、数百甚至上千 秒。 因此,在测定核磁共振波谱时,通常采用液体试样。
*
2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)
指两个进动频率相同而进动取向不同(即能级不同)的性核, 在一定距离内,发生能量交换而改变各自的自旋取向。交换能量 后,高、低能态的核数目未变,总能量未变(能量只是在磁核之 间转移),所以也称为横向弛豫。
取向具有不同自旋能级, 这种现象称为能级分裂.
*
当置于外磁场H0中时,相对于外磁场,有(2I+1)种 取向: m为磁量子数,取值范围:I,I-1,…,-I, 共(2I+1)种取向。
磁共振成像基本原理PPT课件

射频脉冲与磁化矢量
射频脉冲
向样品发射特定频率的射频脉冲,使磁化矢量发生旋 转。
磁化矢量旋转
射频脉冲使磁化矢量从一个静息态旋转到另一态,产 生能量变化。
信号的产生
磁化矢量回到静息态时释放能量,被探测器接收并转 换为可测信号。
信号的接收与处理
接收线圈
环绕在样品周围的接收线圈用于接收磁共振信号。
信号处理
超高场强磁共振成像
超高场强磁共振成像技术使用大于或等于7 特斯拉(T)的磁场进行成像。超高场强设 备在图像质量和分辨率方面具有显著优势, 能够提供更深入的生理和病理信息,有助于 疾病的早期诊断和精准治疗。
功能与分子影像学在技术利用磁场变化 来研究大脑和其他器官的功能活动。通过测 量血液氧合状态的变化,fMRI可以揭示大脑 在执行特定任务时的活动模式。此外,fMRI 还可以用于研究其他器官的功能和疾病进程。
射频电磁场安全
射频电磁场是磁共振成像过程中产生的另一种能量形式, 需要确保其强度符合国际和国家安全标准,避免对患者的 健康造成潜在影响。
热安全
在磁共振成像过程中,设备会向人体发射射频脉冲,这些 脉冲会产生热量。因此,需要监测和限制患者的体温升高, 确保热安全。
磁共振成像质量控制
01
图像分辨率
图像分辨率是磁共振成像质量的重要指标之一。为了获得高质量的图像,
参数优化
根据不同的扫描目标和需求,优化扫描序列中的参数,如磁场强度、射频脉冲的频率和持续时间等,以提高图像 质量和分辨率。
04
磁共振成像设备
磁体系统
01
02
03
磁体类型
超导磁体、永磁磁体和常 导磁体等。
磁场强度
磁场强度决定了成像质量, 通常在0.5-3.0特斯拉之间。
《MRI基本原理》课件

《MRI基本原理》PPT课 件
MRI(磁共振成像)是一种非侵入性的医学成像技术,利用核磁共振原理来 观察人体内部组织结构和功能。
MRI的基本原理
1 磁共振现象
物质中的原子核在强磁场作用下发生共振现象。
2 核磁共振原理
核磁共振利用原子核的自旋和磁矩来获取图像信息。
3 MRI的物理基础
通过梯度磁场和脉冲序列对核磁共振信号进行探测和编码。
3 对患者的限制
部分人群如心脏起搏器患者不能接受MRI检查。
MRI的未来
MRI技术的发展趋势
MRI技术不断发展,未来可能 实现更高的分辨率和更短的扫 描时间。
MRI在医疗领域的前景
MRI将继续在临床诊断和治疗 中发挥重要作用,改善医疗水 平。
MRI在科学研究中的作用
MRI技术可用于研究大脑功能、 心脏病理和神经退化等科学领 域。
科学上的应用
MRI被用于研究人体生理和病理过程,以及大脑功能和结构的探索。
工业上的应用
MRI技术在材料科学和非破坏性测试中起着重要作用,如检测材料缺陷和分析材料结构。
MRI的局限性
1 对金属的敏感性
MRI无法应用于患有金属假体或金属植入物的患者。
2 对运动的敏感性
患者在拍摄过程中需保持静止,运动会导致图像模糊。
总结
1 MRI的优点
MRI提供非侵入性、高 分辨率的图像,适用于 检查不同器官和病理。
2 MRI的局限性
MRI在金属、运动和部 分人群方面存在限制, 需谨慎应用。
3 MRI的未来发展前景
MRI技术将不断发展, 有望提供更准确、便捷 的医学成像服务。
MRI的成像技术
1
MRI的成像过程
通过对人体施加磁场、射频脉冲和梯度磁场的控制,获取详细的图像信息。
MRI(磁共振成像)是一种非侵入性的医学成像技术,利用核磁共振原理来 观察人体内部组织结构和功能。
MRI的基本原理
1 磁共振现象
物质中的原子核在强磁场作用下发生共振现象。
2 核磁共振原理
核磁共振利用原子核的自旋和磁矩来获取图像信息。
3 MRI的物理基础
通过梯度磁场和脉冲序列对核磁共振信号进行探测和编码。
3 对患者的限制
部分人群如心脏起搏器患者不能接受MRI检查。
MRI的未来
MRI技术的发展趋势
MRI技术不断发展,未来可能 实现更高的分辨率和更短的扫 描时间。
MRI在医疗领域的前景
MRI将继续在临床诊断和治疗 中发挥重要作用,改善医疗水 平。
MRI在科学研究中的作用
MRI技术可用于研究大脑功能、 心脏病理和神经退化等科学领 域。
科学上的应用
MRI被用于研究人体生理和病理过程,以及大脑功能和结构的探索。
工业上的应用
MRI技术在材料科学和非破坏性测试中起着重要作用,如检测材料缺陷和分析材料结构。
MRI的局限性
1 对金属的敏感性
MRI无法应用于患有金属假体或金属植入物的患者。
2 对运动的敏感性
患者在拍摄过程中需保持静止,运动会导致图像模糊。
总结
1 MRI的优点
MRI提供非侵入性、高 分辨率的图像,适用于 检查不同器官和病理。
2 MRI的局限性
MRI在金属、运动和部 分人群方面存在限制, 需谨慎应用。
3 MRI的未来发展前景
MRI技术将不断发展, 有望提供更准确、便捷 的医学成像服务。
MRI的成像技术
1
MRI的成像过程
通过对人体施加磁场、射频脉冲和梯度磁场的控制,获取详细的图像信息。
磁共振的原理与结构ppt课件

(五〕核磁共振现象
2 、进动的质子相位一 致,做同步同速运动, 使得在横轴方向上的 磁化矢量得以叠加, 并产生一个新的横向 磁 化 矢 量 , RF 脉 冲 的 强度越大,持续时间 越长,横向进动偏转 的角度就越大。
(六〕核磁共振弛豫
当质子系统达到饱和状态后,停止RF 磁场后,激励过程结束。随后,吸收能 量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能 量,很快回到外加磁场原先排列的平衡
MRI扫描机基本结构示意图
(一)主磁体系统
主磁体是MRI系统的核心部分 之一,其功能是提供使原子核定 向所必须的静磁场。 应用于临床医疗的MRI磁体强 度多为0.15-2.0T(特斯拉)。
1、磁体主要性能指标
•磁场强度:
场强越高,MR信号越强,影像信噪比越大
•磁场均匀度:
决定了图像的空间分辨率和信噪比
(二)外磁场对原子核自旋的影响
当外部施加一个恒定磁场后,则质子 沿外加磁场方向排列,产生净磁化。
1.低能级--自旋方向 与磁场方向一致 2.高能级--自旋方向 与磁场方向相反
(二)外磁场对原子核自旋的影响
在外磁场作用下,低能级的质子数目 要多于高能级的质子,在大量原子分布 的情况下,原子在不同能级上分布的数 目与温度与外磁场强度有关。
下肢血管造影MRA 三维重建图像
四、磁共振图像
2、磁体类型
GE Signa CV/i 1.5T 超导型MR机
2、磁体类型
匀场线圈:
任何磁体都不会产生绝对均匀的磁 场,所以还要加上一组匀场线圈,一 般由铌钛合金制成,置于磁体中心, 梯度线圈外,在安装时由工程师设定调 整,可将磁场均匀性提高100倍以上。
MRI扫描机基本结构示意图
MRI扫描机
磁共振成像(MRI)的基本原理PPT演示课件

磁共振成像(MRI)的基本原理 Magnetic Resonance Imaging
同济医科大学附属协和医院MR室 刘定西
1
磁共振现象的发现及发展
1924年pauli在进行电在子波谱 试验中发现了许多原子核象带电的 自旋粒子一样具有角动量和磁动量。
1946年美国物理学家Block和 Purcell分别测出了在均匀物质中磁 共振的能量吸收,进一步证实了核 自旋的存在,并为此获得了1952年 诺贝尔物理学奖。
• 影响M的因素:静磁场强度、温度、自 旋密度(单位体积的自旋数)。
• 纵向磁化:平行于磁场方向的磁化矢量 • 横向磁化:垂直于磁场方向的磁化矢量
30
31
磁共振成像中的坐标系统
Z
Y X
32
第四节 核磁共振现象
• 单摆共振 • 核磁共振
33
单摆共振的条件
• 系统与激发源的固有频率相同 • 系统吸收能量内能增加
10
3
11
净自旋
• 原子核的运动:自旋 • 净自旋:具有自旋磁动量的自旋。 • 零自旋/非零自旋:净自旋为零/净自旋不
为零 • 净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中
子 • 净自旋的意义:是磁共振信号来源的基
础。 • 自旋系统:磁场中所有自旋的集合。
12
1H的原子核结构及特性
1H原子核仅有一个质子,无中子。 其磁化敏感度高,在人体的自然 丰 富度很高,是很好的磁共振靶核。
21
M1
M2
22
Z
M0 B1 X
Y
23
24
自旋在磁场中的运动
• 进动(旋进):自旋轴绕磁场方 向的圆周运动。遵循 lamor 定理, w=rB0
• 影响进动频率的因素:磁场强度。 • 进动的方向:上旋态与下旋态。
同济医科大学附属协和医院MR室 刘定西
1
磁共振现象的发现及发展
1924年pauli在进行电在子波谱 试验中发现了许多原子核象带电的 自旋粒子一样具有角动量和磁动量。
1946年美国物理学家Block和 Purcell分别测出了在均匀物质中磁 共振的能量吸收,进一步证实了核 自旋的存在,并为此获得了1952年 诺贝尔物理学奖。
• 影响M的因素:静磁场强度、温度、自 旋密度(单位体积的自旋数)。
• 纵向磁化:平行于磁场方向的磁化矢量 • 横向磁化:垂直于磁场方向的磁化矢量
30
31
磁共振成像中的坐标系统
Z
Y X
32
第四节 核磁共振现象
• 单摆共振 • 核磁共振
33
单摆共振的条件
• 系统与激发源的固有频率相同 • 系统吸收能量内能增加
10
3
11
净自旋
• 原子核的运动:自旋 • 净自旋:具有自旋磁动量的自旋。 • 零自旋/非零自旋:净自旋为零/净自旋不
为零 • 净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中
子 • 净自旋的意义:是磁共振信号来源的基
础。 • 自旋系统:磁场中所有自旋的集合。
12
1H的原子核结构及特性
1H原子核仅有一个质子,无中子。 其磁化敏感度高,在人体的自然 丰 富度很高,是很好的磁共振靶核。
21
M1
M2
22
Z
M0 B1 X
Y
23
24
自旋在磁场中的运动
• 进动(旋进):自旋轴绕磁场方 向的圆周运动。遵循 lamor 定理, w=rB0
• 影响进动频率的因素:磁场强度。 • 进动的方向:上旋态与下旋态。
核磁共振PPT

三、各类有机化合物的化学位移
1、饱和烃
-CH3: -CH2: -CH:
CH3=0.791.10ppm CH2 =0.981.54ppm CH= CH3 +(0.5 0.6)ppm
O CH3 N CH3
C C CH3 O C CH3
CH3
H=3.2~4.0ppm H=2.2~3.2ppm H=1.8ppm H=2.1ppm H=2~3ppm
2.68
1.65
1.04
0.90
H3C Cl 3.05
Cl H2C Cl
5.33Cl HC ClCl Nhomakorabea..24
2、磁各向异性效应
具有多重键或共轭多重键分子,在外磁场作用下, 电子会沿分子某一方向流动,产生感应磁场。此感应 磁场与外加磁场方向在环内相反(抗磁),在环外相同 (顺磁),即对分子各部位的磁屏蔽不相同。
偶数
偶数
0
偶数
奇数
1,2,3….
奇数
奇数或偶数 1/2;3/2;5/2….
(1) I=0 的原子核O(16);C(12);S(32) 等 ,无自旋,没有磁矩,不产生共振吸收。
(2) I=1 或 I >0的原子核 I=1 :2H,14N I=3/2:11B,35Cl,79Br,81Br I=5/2:17O,127I
由拉莫进动方程:0 = 2 0 = H0 ; 共振条件: 0 = H0 / (2 )
电磁波辐射
共振条件:
(1) 核有自旋(磁性核) ;
(2)外磁场H0,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 )
信号
共振条件: 0 = H0 / (2 )
吸 收 能
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三、核磁共振条件
condition of nuclear magnetic resonance
在外磁场中,原子核能级 产生裂分,由低能级向高能 级跃迁,需要吸收能量。
能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。
对于氢核,能级差: E = B0 (磁矩) 产生共振需吸收的能量:E = B0 = h0 由拉莫进动方程:0 = 20 = B0 ; 共振条件: 0 = B0 / (2)
第一节
四、核磁共振波谱仪
核磁共振基本原理
principles of nuclear
nuclear magnetic resonance spectrometer
magnetic resonance
2019/10/1
2019/10/1
9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 ppm
3. 射频场: 如果在垂直于外加静磁场的方向加一射频场,
当射频场的角频率满足E=h=B0时,原子核产生共 振吸收信号,其中h为Planck常数,为原子核的旋磁
比、B0为外加静磁场的强度。
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能级分布与弛豫过程
1H = 2.5752×108 T-1S-1 13C = 6.72615×107 T-1S-1
=>
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2. 静磁场:没有外加静磁场时,原子核的自旋是任意取向 的,样品的宏观磁矩为零。当把含磁性核的样品放入 静磁场时,对于自旋I=1/2的原子核,核自旋有两种 取向:一种与外加静磁场平行,原子核的能量降低; 另一种与外加静磁场反平行,原子核的能量升高,即 原子核产生能级分裂。
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质谱给出分子量为269 分子式为:C17H17N3O
1H
应用实例
NMR方法
(1)在很强的外磁场中,某些磁 性原子核可以分裂成两个或更多
的量子化能级。
(2)用一个能量恰好等于分裂后相 邻能级差的电磁波照射,该核就可以
吸收此频率的波,发生能级跃迁,从 而产生 NMR 吸收。
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NMR的形成
z
z
z
m=1/2 m=1
m=2
B0
m=1
m=0
mm==0-1
m=-1/2 m= -1
m= -2
I=1/2 I=1
I=2
1H
E2 =+ B0
B0
P
E = E2-E1 = 2 B0 E1 =- B0
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静磁场(B0)
E
NMR的形成
1H splitting 13C splitting E
饱和(saturation)——低能态的核等于高能态的核。
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倘若体系吸收了足够的射频能量,使相 邻能级上的粒子数相等,这时体系不再呈现 净吸收,因而无法测得核磁共振信号,此时 称为饱和。
饱和(saturated)——低能态的核数目等于高能态的核数目
那么,靠什么维持NMR信号呢?
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可以产生能级分裂的核
若原子核存在自旋,产生核磁矩,这些 核的 行为很象
磁棒,在外加磁场下,核磁体可以有(2I+1)种取向。
只有自旋量子数(I)不为零的核才具有磁矩
质量数(a) 原子序数(Z)自旋量子(I)
例子
奇数 偶数
奇或偶 偶数
1 , 3 , 5 222
0
I 12,1H1, 13C6 ,19F9 ,15N7
nuclear magnetic resonance
自旋量子数 I=1/2的原子核 (氢核),可当作电荷均匀分 布的球体,绕自旋轴转动时, 产生磁场,类似一个小磁铁。
于外当磁置场于,外有磁(场2I+B10)中种时取,向相:对 氢核(I=1/2),两种取向
(两个能级):
(1)与外磁场平行,能量低,磁量
自旋核之间进行内部的能量交换,高能态的核将能量转 移给低能级的核,使它变成高能态而自身返回低能态,这种
释放能量的方式称为横向弛豫。
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射频磁场(B0)
NMR的形成
B0
FID
N/N= exp(- E/kT)
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讨论:
共振条件: 0 = B0 / (2 ) (1)对于同一种核 ,磁旋比 为定值, B0变,射频频率变。 (2)不同原子核,磁旋比 不同,产生共振的条件不同,需 要的磁感强度B0和射频频率不同。 (3) 固定B0 ,改变(扫频) ,不同原子核在不同频率处 发生共振(图)。也可固定 ,改变B0 (扫场)。扫场方式
(2)对同一种核, 一定,当B0 不变时,共振频率不变; 当B0 改变时,共振频率也随之而变。
例如,氢核在1.409 T 的磁场中,共振频率为60 MHZ , 而在2.350 T 时,为100 MHZ。
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几种核的NMR频率表
自然 灵敏度
场强(T)与NMR频率(MHz)
核 自旋 丰度 相对 绝对 1.409 2.114 2.349 7.046 9.395 11.744
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共振条件
(1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / B0 = / (2 )
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小结:NMR的三要素--磁性核、静磁场、射频场
1. 磁性原子核:质子数或中子数为奇数的原子核具有自旋 角动量, 当原子核自旋时,相当于核表面的正电荷在运 动,运动的电荷即电流会感应产生磁场,因此,每一 个自旋的原子核相当于一个磁偶极子,自旋的原子核也 称为磁性核。例如1H, 13C, 19F等。
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算:
N N ij ex p E ik E T j ex p kE T ex h p k T
磁感强度2.3487 T;25C;1H的共振频率与分配比:
共振 2频 B 0 2 .6 率 7 2 1 3 5 8 .1 0 2 2 .3 44 1 8.0 7 M 0 Hz
P I(I 1 ) gNN; Ne2m P5 .05 1 0 2 0 8 J 7T 1
磁旋比,即核磁矩与自旋角动量的比值,不同的核具有不同的 磁旋比,它是磁核 一个特征(固定)值。 N为核磁子。
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(3) 与P方向平行。
1H2.79 217 C 3 0 0.7021 4:16
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1.00 1.08 1.05
1.05 1.08 1.09
6.02
3.34 1.13
1.13 2.29 1.13 1.12 1.11
8.74
8.34 8.29 8.27
7.52 7.51 7.36 7.35 7.33 7.30 7.28 7.27
4.93
3.94 3.79 3.33 3.33 3.33 3.08 3.06 3.05 3.03 2.92 2.91 2.89 2.88 2.86 2.82 2.78 2.33 2.31 2.08 2.07 2.07
第六章
一、原子核的自旋
核磁共振波谱
atomic nuclear spin 二、核磁共振现象
分析法
nuclear magnetic resonance
三、核磁共振条件
nuclear magnetic resonance
spectroscopy; NMR
condition of nuclear magnetic resonance
弛豫(relaxation)——高能态的核以非辐射的方式回到
低能态
•纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫
处在高能级的核将能量以热能形式转移给周围分子骨 架(晶格)中的其它核,而回到低能级,这种释放能量的方
式称为纵向弛豫。
周围的粒子,对固体样品是指晶格,对液体样品指周围的 同类分子或溶剂分子。
横向弛豫也称自旋-自旋弛豫
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布 不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;
(3)I=1/2的原子核(重要) 1H,13C,19F,31P
原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一样自 旋,有磁矩产生,是核磁共振研究的主要对象,C,H也是有 机化合物的主要组成元素。
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二、 核磁共振现象
S/Na 6
30 80 300 800 3600 6000 9000 30000 30000
总结
(1)在相同 B0 下,不同的核,因磁旋比不同,发生共振的 频率不同,据此可以鉴别各种元素及同位素。
例如,在 2.3 T 的磁场中,1H 的共振频率为100 MHz , 13C 的为 25 MHz 只是氢核的1/4,而 133Cs 的仅仅是氢核的 1/8 左右。
(%)
1H 1/2 99.98 1.00 1.00 60.000 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 6Li 1 7.42 8.5E-3 6.31E-4 8.829 14.716 29.431 44.146 58.892 73.578 7Li 3/2 92.58 0.29 0.27 23.318 38.863 77.727 116.590 155.454 194.317 13C 1/2 1.108 1.59E-2 1.76E-4 15.087 25.144 50.288 75.432 100.577 125.721 27Al 5/2 100 0.21 0.21 15.634 26.057 52.114 78.172 104.29 130.28 29Si 1/2 4.90 7.84E-3 3.69E-4 11.919 19.865 39.730 59.595 79.460 99.325 51V 7/2 99.76 0.38 0.38 15.773 26.289 52.576 78.864 105.152 131.44