脉冲核磁共振实验讲义
脉冲核磁共振实验报告
脉冲核磁共振实验报告脉冲核磁共振实验报告导言：脉冲核磁共振（NMR）技术是一种非常重要的实验手段，它在化学、物理、生物等领域都有广泛的应用。
本次实验旨在通过脉冲核磁共振实验，探索其原理和应用，并通过实验结果分析，深入理解核磁共振的基本概念和方法。
一、实验原理核磁共振是基于原子核的自旋性质而产生的一种现象。
当物质处于外加磁场中时，原子核会产生自旋进动，这种进动会产生一个旋转磁矩。
而当外加射频脉冲作用于样品时，会导致核磁矩的翻转，进而引起核磁共振信号的产生。
二、实验步骤1. 样品准备：选择适当的样品，将其溶解在合适的溶剂中，并放置在核磁共振仪器中。
2. 参数设置：设置外加磁场的强度和方向，调整射频脉冲的频率和幅度。
3. 信号采集：开始采集核磁共振信号，记录下信号的幅度和频率。
4. 数据处理：通过对采集到的信号进行傅里叶变换，得到核磁共振谱图。
5. 结果分析：根据谱图的特征，分析样品中的成分和结构。
三、实验结果与讨论通过实验，我们得到了样品的核磁共振谱图。
根据谱图的特征，我们可以得到样品中各个成分的化学位移和相对含量。
同时，通过核磁共振谱图的峰形和峰面积，我们还可以得到样品中各个原子核的耦合关系和化学环境。
在实验中，我们还可以通过改变外加磁场的强度和方向，观察核磁共振信号的变化。
这样可以进一步了解样品中原子核的自旋性质和相互作用规律。
此外，核磁共振技术还可以应用于生物医学领域。
通过核磁共振成像（MRI），可以对人体内部结构进行非侵入性的观察和诊断。
这种无辐射、无损伤的成像技术已经成为现代医学中不可或缺的工具。
四、实验中的注意事项在进行脉冲核磁共振实验时，需要注意以下几点：1. 样品的纯度和浓度对实验结果有较大影响，因此在实验前应对样品进行充分的处理和检测。
2. 外部磁场和射频脉冲的设置需要精确控制，以保证实验的可靠性和准确性。
3. 在实验过程中，需要避免样品受到振动和温度变化的干扰，以免影响信号的稳定性和准确性。
脉冲核磁共振_4
附件材料二脉冲核磁共振实验基本原理核磁共振（NMR ）是一种磁共振现象，是原子核在核能级上的共振跃迁。
利用核磁共振可以测定原子核的磁矩，精确地测量磁场，研究物质结构。
1922年斯特恩（Otto Stern 1888—1969）通过实验，用分子束方法证明了原子核磁矩空间量子化，并为进一步测定质子之类的亚原子粒子的磁矩奠定了基础。
此后，拉比(Isidor Isaac Rabi 1898—1988)发展了分子束磁共振方法，可以精密测量核磁矩和光谱的超精细结构。
1946年布洛赫（Felix Bloch 1905—1983）实现了原子核感应，现称核磁共振（具有磁矩的原子核位于恒定磁场中时，将以一定的角速度围绕磁场轴作进动并最终沿磁场方向趋向。
如果垂直于该恒定磁场外加一弱交变磁场,且当交变磁场的圆频率和恒定磁场满足一定的关系时，核磁矩将会沿着固定轨道绕恒定磁场进动，同时出现能量的最大吸收）。
当年年底，塞尔(Edward Mills Purcell 1912—1997)首次报告了在凝聚态物质中观察到的核磁共振现象。
1943年斯特恩因在发展分子束方法上所作的贡献和发现了质子的核磁矩获得诺贝尔物理学奖。
1944年拉比因用共振方法记录了原子核的磁特性获诺贝尔物理学奖。
1952年布洛赫和塞尔因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现分享诺贝尔物理学奖。
在稳态核磁共振的基础上，1950年代出现了脉冲核磁共振方法，得到高灵敏度、高分辨率的核磁共振信号。
核磁共振与计算机结合，发展了许多高新技术。
一般地，连续波核磁共振波谱仪在任一瞬间，只有一种核处于共振状态，而其他核都处于“等待”状态，因此扫描速度慢，这就不利于对一些量小的样品和某些天然丰度小的核进行测定，由于它们必须采取累加的方法，而连续波核磁共振波谱仪扫描速度慢，耗时长，且难于保证信号长期不漂移；脉冲核磁共振波谱仪仪器工作的方式是利用短而强的射频脉冲，使所有的核同时都共振，从而在很短的时间内完成一张谱图的记录。
脉冲核磁共振实验
近代物理实验-核磁共振实验目的：(1)了解核磁共振原理(2)学习使用核磁共振测量软件实验原理：核具有自旋角动量p ，根据量子力学p 的取值为：p=ħ)1( I I (1)式中ħ=h/2π，h 为普朗克常数，I 为自旋量子数，其取值为整数或半整数即0,1,2,…或1/2,3/2,…。
若原子质量数A 为奇数，则自旋量子数I 为半整数，如1H(1/2), 15N(1/2),17O(5/2), 19F(1/2)等；如A 为偶数,原子序数Z 为奇数，I 取值为整数，如21H(1), 147N(1), 105B(3)等；当A 、Z 均为偶数时I 则为零，如126C, 168O 等。
核自旋角动量p 在空间任意方向的分量（如z 方向）的取值为：p z = m ħ (2)m 的取值范围为-I…I，即-I ，-（I-1），…，（I-1），I 。
原子核的自旋运动必然产生一微观磁场，因此称原子核具有自旋磁矩μ，它与自旋角动量p 的关系为：μ = γ p (3)γ称为旋磁比，γ与原子核本身性能有关，它的数值可正可负。
与自旋角动量一样，自旋磁矩在外加磁场方向的分量值也是量子化的μz = γ ħ m (4)与p 一样的取值范围一样，m 的取值范围也是 -I…I。
对质子1H ，I=1/2, m 的取值为-1/2和1/2。
核磁矩在外磁场B 0中将获得附加能量E m =-μz B 0=-γ ħ mB 0 (5)以质子为例，其m 的值为1/2与-1/2，从而在外磁场作用下核能级分裂成两个能级，其能级差ΔE 为ΔE=γ ħ B 0 (6)如果此时在与B 0垂直方向再加上一个频率为ν的交变磁场B 1，此交变磁场的能量量子为h ν，则当h ν=ΔE 时就会引起核能态在两个分裂能级间的跃迁，即产生共振现象。
此时共振频率ν0为ν0=γπ20B (7) 即共振频率ν0与外磁场强度B 0成正比。
γ /2π是个重要的实用参数，某些应用类的参考书中将γ /2π也称为旋磁比。
脉冲核磁共振
核磁共振及其成像实验一、引言核磁共振指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象，1939年首次被拉比在高真空中的氢分子束实验中观察到，之后广泛运用于医学成像领域。
本实验旨在掌握核磁共振基本原理，并利用核磁共振研究硬脉冲及其回波，测量横向弛豫时间，了解几种成像参数对图像的影响。
二、实验原理2.1核磁共振基本原理当一个样品被放在外磁场0B 中时，样品就会被磁化，产生能级分裂现象，所产生的能级间距为：0E B ћγ∆= (1) 若在该样品系统上加上一个射频磁场，当射频场能量等于能级间距时，样品对外加射频能量吸收达到最大，因此得到核磁共振产生的基本条件：00h ћB ћυωγ==(2) 因此得到拉莫尔方程00B ωγ= (3)其中0ω就是产生核磁共振的拉莫尔频率，γ为样品物质的磁旋比，0B 为外加磁场的磁场强度。
2.2自旋回波考虑一个90°-τ-180°-τ采样的脉冲序列。
把一个包含大量自旋数的样品分为610个系综，在每个区域，外磁场分布在一个很窄的范围，每个系综内有一确定的净磁化强度，它们都对总的磁化强度做出贡献。
第一个90°脉冲后，每一个这样的磁化矢量均以稍稍不同的频率作进动，彼此逐渐散相。
经过时间τ后，施之一个双倍宽度的180°脉冲，相位差全部反转，再经过适当时间τ后，所有系综回到同相位状态，总磁化强度达到最大值。
在样品线圈里，感应出“自旋回波”信t存在着采样时间较长的缺点，号，幅度一般小于FID信号。
由于此回波序列测量2故采用90°-τ-180°-2τ-180°-…序列。
2.3弛豫过程t表征由横向弛豫时间：起因于自旋-自旋之间的相互作用。
横向弛豫时间2于非平衡态进动相位相关产生的不为0的磁化强度横向分量M恢复到平衡态时t描述了垂直于磁场方向的核自旋磁矩相位无关所需特征时间。
即横向弛豫时间2恢复到热平衡态的快慢程度。
脉冲核磁共振NMR实验简介_2792.pptx
互作用能为：
E Z B0
因此如果将自旋量子数为I的原子核放入静止磁场，由
于 Z 有2I+1种取向，原子核的能级将裂分成2I+1个能级。
相邻能级之间的能级差相同，均为：
E B0
式中， egI 称为旋磁比。
2mp
3.核磁共振
射频脉冲的能量为 ERF h ，当
E ERF
即
B0 2
，此时发生核磁共振现象
脉冲核磁共振NMR实验简介
实验设备 实验原理 硬脉冲序列 参数设置
射频单元 梯度单元
磁体单元
1.核自旋与核磁矩 原子核的自旋运动会产生一个磁偶极子，称为原
子核的自旋磁矩。 自旋磁矩与自旋角动量之间的关系为：
e
I gI 2mp lI
2.核能级分裂
将一个核磁矩放入磁场中，磁矩与磁场之间具有的相
汪红志, 张学龙, 武杰. 核磁共振成像技术实验教程. 科 学出版社,2008年1月.
戴乐山, 戴道宣. 近代物理实验. 高等教育出版社,2006 年7月.
V (t) M0 sin cos(w0t)et /T2*
上式说明核磁共振的信号是一个自由衰减信号 （FID Free Induction Decay信号）
宏观磁化弛豫轨迹
FID信号
硬脉冲FID序列 硬脉冲
参数设置
频率接近共振时的信号
FFT
频率达到共振时的信号
FFT
RG：增益调整
增益分为四档，需要根据实际情况进行选择。
扫场/扫频
90°脉冲激发前后微观和宏观磁化矢量的变化
4.弛豫过程 自旋核子群受到射频激励后，磁化矢量失去平衡，偏
离Z方向，同时出现横向磁化分量，射频停止后，恢 复到平衡状态。 不同的组织成分的弛豫时间不同。
脉冲-核磁共振实验-13页
脉冲核磁共振实验核磁共振技术来源于1939年美国物理学家拉比（I.I.Rabi ）所创立的分子束共振法，他使用这种方法首先实现了核磁共振这一物理思想，精确德测定了一些原子核的磁矩，从而获得了1944年度的诺贝尔物理奖.此后,磁共振技术迅速发展,经历了半个多世纪的而长盛不衰,孕育了多个诺贝尔奖获得者,它还渗透到化学、生物、医学、地学和计量等学科领域,以及众多的生产技术部门,成为分析测试中不可缺少的实验手段.所谓核磁共振,是指磁矩不为零的原子核处于恒定磁场中,由射频或者微波电磁场引起塞曼能级之间的共振跃迁现象.核磁共振现象具有其特点,因此,我们先介绍一些核磁共振的基础知识.一、核磁共振基础知识1． Bloch 方程:1946年Bloch 采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch 方程建立核磁共振的唯象理论。
长久以来大量的实验表明Bloch 方程在液体中完全精确，同时还发现Bloch 方程在其他能级跃迁理论也高度吻合，比如激光的瞬态理论中Bloch 方程同样适用。
所以Bloch 方程已经超越了半经典的陀螺模型，现在已经推广到磁共振以外的能级跃迁系统。
在激光物理中采用密度矩阵和Maxwell 方程组推导出Bloch 方程又称为Maxwell-Bloch 方程(有的书称为FHV 表象理论)。
所以Bloch 方程促进了量子力学的发展是非常重要的公式。
由于Maxwell-Bloch 方程推导涉及高等量子力学和量子电动力学等复杂的理论和繁琐的数学基础所以本文采用Bloch 半经典的唯象理论。
（1）半经典理论:将原子核等效为角动量为 L 的陀螺和具有磁矩为L γμ=磁针。
其中γ称为旋磁比。
原子核在外磁场作用下受到力矩 B T⨯=μ (1)并且产生附加能量B E⋅=μ (2)根据陀螺原理 T dt L d=和Lγμ=得B dtd⨯=μγμ(3) 其分量式)()()(y x x y zx z z x y z y y Z xB B dtd B B dt d B B dt d μμγμμμγμμμγμ-=-=-= (4)（2）驰豫过程:驰豫过程是原子核的核磁矩与物质相互作用产生的。
脉冲核磁共振实验
脉冲核磁共振实验【实验目的】1.了解脉冲核磁共振的基本实验装置和基本物理思想，学会用经典矢量模型方法解释脉冲核磁共振中的一些物理现象。
2.用自由感应衰减法测量表观横向弛豫时间*2T ，分析磁场均匀度对信号的影响。
3.用自旋回波法测量不同样品的横向弛豫时间2T 。
4.用反转恢复法测量不同样品的纵向弛豫时间1T 。
6.测量不同浓度硫酸铜溶液中氢原子核的横向弛豫时间2T 和纵向弛豫时间1T ，测定其随CuSO 4浓度的变化关系。
【实验原理】核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。
1945年，美国哈佛大学的珀塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号；1946年，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。
两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。
因此，布洛赫和珀塞尔荣获了1952年的诺贝尔物理学奖。
以后，许多物理学家进入了这个领域，取得了丰硕的成果。
目前，核磁共振已经广泛地应用到许多科学领域，是物理、化学、生物和医学研究中的一项重要实验技术。
它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，也是精确测量磁场的重要方法之一。
下面我们以氢核为主要研究对象，以此来介绍核磁共振的基本原理和观测方法。
氢核虽然是最简单的原子核，但它是目前在核磁共振应用中最常见和最有用的核。
（一）核磁共振的量子力学描述 1.单个核的磁共振通常将原子核的总磁矩在其角动量P 方向上的投影μ称为核磁矩，它们之间的关系通常写成P⋅=γμ或P m e g p N⋅⋅=2μ （2-1）式中pN m e g 2⋅=γ称为旋磁比；e 为电子电荷；p m 为质子质量；N g 为朗德因子。
对氢核来说，5851.5=N g 。
按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定)1(+=I I P （2-2）式中π2h =，h 为普朗克常数。
I 为核的自旋量子数，可以取⋅⋅⋅=,23,1,21,0I 对氢核来说，21=I 。
【精品】核磁共振实验讲义
第五章核磁共振实验核磁共振在生物医学化学和物理学有广泛的应用，核磁共振的应用实验原理及实验方法成为相关领域必不可少的教学内容。
过去由于进口核磁共振本身价格昂贵仪器操作复杂核磁共振一直没有纳入相关的实验大纲。
最近几年国产核磁共振教学仪器的发展已经能使小尺寸的核磁共振成像系统在本科教学实验中普及。
教学仪器本身具有的开放性和可拆卸性是进口仪器所不能替代的。
这些实验可以让学生直观的了解核磁共振技术的实现过程，为今后操作使用以及核磁共振仪的生产打下坚实的基础。
本章从基本的连续核磁共振实验开始了解核磁共振最基本的共振现象。
尔后脉冲核磁共振实验了解各脉冲序列的原理和脉冲核磁共振的实验方法对今后了解成像及谱仪的工作原理有重要的认识。
之后在核磁共振成像实验（上）中了解核磁共振成像SE序列的成像原理及图像重建的数学处理方法，为今后学生毕业后自行操作仪器及编译脉冲序列打下一定的基础。
之后在核磁共振成像实验（中）对各种伪影产生的机理和脉冲参数设置对图像的影响产生一定的认识。
最后核磁共振成像实验（下）中进行自主提高性实验，如三维核磁共振成像观察切割的组织或小动物的器官等，也可以自行编辑IR序列并自行对实验采集数据进行处理，如采用伪彩色处理等。
本章的实验均在国产教学仪器中完成。
第一节基础理理论一、Bloch方程:1946年Bloch采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch方程建立核磁共振的唯象理论。
长久以来大量的实验表明Bloch方程在液体中完全精确，同时还发现Bloch 方程在其他能级跃迁理论也高度吻合，比如激光的瞬态理论中Bloch 方程同样适用。
所以Bloch 方程已经超越了半经典的陀螺模型，现在已经推广到磁共振以外的能级跃迁系统。
在激光物理中采用密度矩阵和Maxwell 方程组推导出Bloch 方程又称为Maxwell-Bloch 方程(有的书称为FHV 表象理论)。
所以Bloch 方程促进了量子力学的发展是非常重要的公式。
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I=3/2 （11B，35Cl，79Br,
凡I≥1，I=1，2，3，……,3/2, 5/2, …
自旋情况复杂，目前NMR研究较少
2. 原子核能级的分裂及其描述
原子核之量子力学模型
带电原子核自旋 自旋磁场 磁矩 (沿自旋轴方向) 磁矩 的大小与磁场方向的角动量 P 有关：
P
（ 为磁旋比）
以I=1/2的原子核为例
自旋取向有2I+1=2×1/2+1=2种， 即有两个能级=能级分裂
h 1 h E 1 / 2 B0 PB 0 m B0 B0 2 2 2 h 1 h E1 / 2 B0 PB 0 m B0 B0 2 2 2
三、核磁共振波谱仪
两类：连续波NMR 波谱仪 脉冲傅立叶变换NMR波谱仪
连续NMR 波谱仪
组成：磁铁，射线源，样品管，射频接受器，显示记录
磁铁：最重要部件，关系到仪器的灵敏度和分辨率
——永久磁铁
——电磁铁 ——超导磁铁 射频源：类似光源作用 采用石英晶体振荡器——发射电磁波 射频接受器：类似检测器的作用 检测试样对电磁波的吸收 <2.4 T 30,60,100 MHz 10-17.5 T 400-750MHz
工作方式
扫频：B0不变， 变化——类似吸收光谱法
扫场： 不变，B0变化——实际常用，方便，
在磁铁上加扫场线圈 通常扫描一张氢谱是时间是250 s 通常试样量数-数十mg，或0.1-0.5 mol/L 可采用重复扫描-累加平均的方式提高信噪比
脉冲傅立叶变换NMR波谱仪（pulse and Fourier
E h
可见，弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长， 核磁共振信号窄；反之，谱线宽。 弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。
纵向弛豫T1
又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能量及时转 移给周围分子骨架(晶格)中的其它核，从而使自己返回 到低能态的现象。 固体样品---分子运动困难--- T1最大---谱线变宽小--弛豫最少发生； 晶体或高粘度液体---分子运动较易--- T1下降---谱线 仍变宽---部分弛豫; 气体或受热固体---分子运动容易--- T1较小---谱线变 宽大---弛豫明显。 综述：样品流动性降低(从气态到固态)， T1增加，纵 向弛豫越少发生，谱线窄。
transform NMR, PFT-NMR）
——工作方式：固定磁场，施加全频脉冲射频，测
定自由感应衰减信号随时间的变化，经傅立叶变换，得
到核磁共振波谱图。
——特点：
分析速度快（数秒），灵敏度高
试样量：1 mg甚至更低
能级分布与弛豫过程(Relaxation Process)
1、核能级分布 在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、 低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分 布应满足Boltzmann分布。
h E Ni kT e e kT Nj
通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T的磁场中， 位于高、低能级上的1H核数目之比为0.999984。 可见，处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出百 万分之十六！当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至 高能态，同时给出共振吸收信号。但随实验进行，只占微 弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目 相等--------饱和-----从低到高与从高到低能级的跃迁的数目 相同---体系净吸收为0-----共振信号消失！
核——原子核自旋
磁——外加磁场 B0
I≠0
诱导产生自旋能级分裂
共振——外界= 0进动 共振吸收 能级跃迁
6．能级分布与弛豫过程
——Boltzman公式计算结果：
B0=1.409T 氢原子核 25℃
N高/N低=1000000/1000016
(通常UU-Vis中为1/100) 原因：能级差太小，热运动可产生跃迁 ——饱和：强射频照射，低能态原子核数减少，净吸 收减少至0，无吸收峰
一、基本原理
原子核为带正电粒子
原子核的自旋产生小磁场 以核磁矩μ表征 类似电流线圈 产生磁场
右手定则
1．原子核的自旋
原子核自旋情况，自旋量子数表征
I=O （12C,
16O，32S, 28Si）--无自旋，无NMR
I=1/2 （1H，19F，31P，13C ）--自旋情况简单，
NMR主要研究对象 I=1 （2H，14N ）81Br）
（B0= μ 顺磁
（B0≠0） m=-1/2
能级 分裂
μ 抗磁 B0
h E B0 2
m=+1/2
磁量子数
5.核磁共振现象和核磁共振条件 h E B0 2 外界 射频 能量
0 B0 2
h h E B0 h 0 2
进动频率
外界射频频率 总结：
或者说有 2I+1 个核磁矩。
3.原子核在均匀磁场中的能量……量子化的 能级： M B E B
dp M dt
p
d B dt
此即Bloch方程
4.原子核在均匀磁场中的运动－－拉莫尔进动
0 B0 2
2、弛豫 何为弛豫？ 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回 到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得 处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号 不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。 据Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激 发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽成正比， 即： 1
——弛豫：原子核激发态 非辐射跃迁 基态
保证连续的核磁共振吸收信号必要条件
二、发展历史
1924年，泡利（Pauli)预见原子核具有自旋和核磁距 1946年，斯坦福大学布洛赫（Bloch） 哈佛大学珀塞尔（Purcell） 分别同时独立地观察到核磁共振现象 1952年，分享1952年诺贝尔物理奖 1953年，第一台商品化核磁共振波谱仪问世 1965年，恩斯特（Ernst)发展出傅里叶变换核磁共振 和二维核磁共振 1991年，被授予诺贝尔化学奖 2002年，NMR领域再一次获诺贝尔化学奖 核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一
每种核有其固定 值（H核为2.68×108T-1s-1)。其中，
h 或 2 h m ( 其中m I, I - 1, I - 2,...- I) 2 P m
其中h为Planck常数 (6.62410-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自
旋量子数 I 决定，m 共有2I+1个取值，即角动量 P 有 2I+1 个状态！