中国科学技术大学：《物理实验》核磁共振技术及其应用

核磁共振技术及其应用 蒋作宏 中国科学技术大学 核磁共振信号的检测和处理 核磁共振新技术及应用

核磁共振技术及其应用 蒋作宏 中国科学技术大学 • 核磁共振信号的检测和处理 • 核磁共振新技术及应用

概述 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段,由于其可深 入物质内部而不破坏样品,并具有迅速、准确、分辨率高等优 点而得以迅速发展和广泛应用,已经从物理学渗透到化学、生 物、地质、医疗以及材料等学科,在科研和生产中发挥了巨大 作用。 核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫( F Block)和哈佛大 学珀赛尔( E.M. Purcel)自独立发现的,两人因此获得1952年 诺贝尔物理学奖。50多年来,核磁共振已形成为一门有完整理 论的新学科

概 述 • 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深 入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优 点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生 物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大 作用 。 • 核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大 学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年 诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理 论的新学科

12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家 1944年 L Rabi 1952年 F Block 1952年 E.M. Purcell 1955年 WE Lamb 1955年 P Kusch 1964年 C.H. Townes 1966年 A Kastler 1977年 JH.VanⅤleck 1981年 N Bloembergen 1983年 H. Taube 1989年 N F. Ramsey 1991年 RR.Ernst

12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家 • 1944年 I.Rabi • 1952年 F.Block • 1952年 E.M.Purcell • 1955年 W.E.Lamb • 1955年 P.Kusch • 1964年 C.H.Townes • 1966年 A.Kastler • 1977年 J.H.Van Vleck • 1981年 N.Bloembergen • 1983年 H.Taube • 1989年 N.F.Ramsey • 1991年 R.R.Ernst

核磁共振基本原理 核磁共振原理 实现核磁共振的两种方法 检测共振信号的方法 傅里叶( Fourier)变换

核磁共振基本原理 • 核磁共振原理 • 实现核磁共振的两种方法 • 检测共振信号的方法 • 傅里叶(Fourier)变换

核磁共振原理 半数以上的原子核具有自旋,旋转时产生一小磁场。 当加一外磁场,这些原子核的能级将分裂,既塞曼效应。 在外磁场B中塞曼分裂图: B △E=y方 外加交变电磁场B2,当其频率满足 hv=△E=ab时发生磁共振 图11=1/2的粒子磁矩在磁场中的取向及能级

核磁共振原理 半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。 当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既塞曼效应。 在外磁场B0中塞曼分裂图：

共振条件:0=00=yB 实现核磁共振的两种方法 a.扫场法:改变Bo b.扫频法:改变o

共振条件： = 0 = 0 实现核磁共振的两种方法 a．扫场法: 改变0 b．扫频法: 改变

检测共振信号的方法 优点是比较简单,样品 R 不易饱和,缺点是振荡频率 不共振 的稳定性较差,噪音电平较 吸收法 高。一般只用于宽谱的波谱 样品 共振时 仪与测场仪 R F 信号源 样品 优点是工作稳定度 感应法 高,噪音低,但漏电流 相位不易调整。常用在 商业波谱仪 优点是频率稳定好,噪 平衡法 R F 音低,缺点是频率调谐范围 信号源 不够宽。常用于灵敏度和分 样品辨力高的波谱仪 D

检测共振信号的方法 • 吸收法 • 感应法 • 平衡法 优点是比较简单，样品 不易饱和，缺点是振荡频率 的稳定性较差，噪音电平较 高。一般只用于宽谱的波谱 仪与测场仪 优点是工作稳定度 高，噪音低，但漏电流 相位不易调整。常用在 商业波谱仪 优点是频率稳定好，噪 音低，缺点是频率调谐范围 不够宽。常用于灵敏度和分 辨力高的波谱仪

傅里叶( Fourier)变换 时域信号F变换,频域信号 频域谱 (t1,t2,) S(O1,O2,,) 《 1> 地玉以中F用平有弦数进行变处理,使F平

傅里叶(Fourier)变换 • 时域信号 F变换 频域信号 频域谱 S（t1,t2,…） S(1, 2,…)

核磁共振新技术 核磁双共振 二维核磁共振 NMR成像技术 魔角旋转技术 极化转移技术

核磁共振新技术 • 核磁双共振 • 二维核磁共振 • NMR成像技术 • 魔角旋转技术 • 极化转移技术

核磁双共振 双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上,第一射频场 B1使某种核共振,第二射频场B2使另外一种核共振,这样两个原子核同时发生共 o脉冲→双核自旋系统 检测器 02 COOH 第二射频场为干扰场,通 常用一个强射频场干扰图谱中 某条谱线,另一个射频场观察 其他谱线的强度、形状和精细 结构的变化,从而确定各条谱 线之间的关系,区分相互重叠 的谱线 a〉正常谱<b)双共振谱 糠酸1HNMR谱

核磁双共振 双核自旋系统 检测器 2 扰动 1脉冲 • 双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上，第一射频场 B1使某种核共振，第二射频场B2使另外一种核共振，这样两个原子核同时发生共 振。 • 第二射频场为干扰场，通 常用一个强射频场干扰图谱中 某条谱线，另一个射频场观察 其他谱线的强度、形状和精细 结构的变化，从而确定各条谱 线之间的关系，区分相互重叠 的谱线