核磁共振基本原理PPT

1、 核核原子核原子核 磁磁磁場(chǎng)磁場(chǎng) 核磁共振（核磁共振（nmrnmr）原子核在磁場(chǎng)中的原子核在磁場(chǎng)中的響應(yīng)響應(yīng) 為什么原子核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生響應(yīng)呢？為什么原子核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生響應(yīng)呢？ （核有磁性）（核有磁性）一一 核磁共振現(xiàn)象核磁共振現(xiàn)象（一）核有磁性（一）核有磁性 核由質(zhì)子和中子組成；核由質(zhì)子和中子組成； 質(zhì)子帶正電，中子不帶電；質(zhì)子帶正電，中子不帶電； 所以，原子核帶正電的。所以，原子核帶正電的。 另外，有些核具有內(nèi)秉角動(dòng)量（自旋）。另外，有些核具有內(nèi)秉角動(dòng)量（自旋）。 奇數(shù)核子奇數(shù)核子 奇數(shù)原子序數(shù)，偶數(shù)核子奇數(shù)原子序數(shù)，偶數(shù)核子 因而核有磁性。因而核有磁性。 磁矩磁矩 描述磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向的

2、矢量描述磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向的矢量 自旋角動(dòng)量；自旋角動(dòng)量； 旋磁比，每個(gè)核都有一特定的值。旋磁比，每個(gè)核都有一特定的值。有正有負(fù)，核磁矩的方向與其有關(guān)。有正有負(fù)，核磁矩的方向與其有關(guān)。pp（二）沒(méi)有外磁場(chǎng)作用（二）沒(méi)有外磁場(chǎng)作用單個(gè)磁矩隨機(jī)取向單個(gè)磁矩隨機(jī)取向；系統(tǒng)宏觀上沒(méi)有磁性系統(tǒng)宏觀上沒(méi)有磁性。（三）靜磁場(chǎng)作用單個(gè)自旋（三）靜磁場(chǎng)作用單個(gè)自旋 要受力矩作用要受力矩作用，表現(xiàn)：，表現(xiàn)： （1 1）原子核）原子核吸收能量，磁矩吸收能量，磁矩取向變化（極化取向變化（極化）；）； （2 2）磁矩繞靜磁磁矩繞靜磁場(chǎng)場(chǎng)0 0 靜動(dòng)靜動(dòng)( (與陀與陀螺在重力場(chǎng)中發(fā)生螺在重力場(chǎng)中發(fā)生進(jìn)動(dòng)類似進(jìn)動(dòng)類似) )。

3、進(jìn)動(dòng)頻率進(jìn)動(dòng)頻率（larmorlarmor頻率頻率) )00b（四）靜磁場(chǎng)作用整個(gè)自旋系統(tǒng)（四）靜磁場(chǎng)作用整個(gè)自旋系統(tǒng) 整個(gè)自旋系統(tǒng)被磁化整個(gè)自旋系統(tǒng)被磁化 產(chǎn)生宏觀磁化量產(chǎn)生宏觀磁化量m0m0 （m0m0的變化過(guò)程是的變化過(guò)程是核磁測(cè)井觀測(cè)對(duì)象核磁測(cè)井觀測(cè)對(duì)象）（五）垂直方向上施加交變磁場(chǎng)（五）垂直方向上施加交變磁場(chǎng) 在垂直在垂直0 0方向上加交方向上加交變磁場(chǎng)，頻率變磁場(chǎng)，頻率=0 0=b=b0 0 發(fā)生發(fā)生核磁共振吸收現(xiàn)核磁共振吸收現(xiàn)象象。也就是也就是 m m被扳倒被扳倒。 脈沖，脈沖，m m扳倒扳倒9090度度 脈沖，脈沖，m m扳倒扳倒180180度度90180（六）交變磁場(chǎng)作用后（

4、六）交變磁場(chǎng)作用后弛豫弛豫 磁化矢量朝磁化矢量朝0 0方向恢復(fù)，使核方向恢復(fù)，使核自旋系統(tǒng)從非平自旋系統(tǒng)從非平衡分布恢復(fù)到平衡分布恢復(fù)到平衡分布。衡分布。 縱向弛豫縱向弛豫t1t1 橫向弛豫橫向弛豫t2t21 縱向弛豫縱向弛豫/t1 非平衡態(tài)磁化矢量的非平衡態(tài)磁化矢量的縱向分量恢復(fù)到初始縱向分量恢復(fù)到初始磁化矢量磁化矢量m0m0的過(guò)程的過(guò)程 弛豫速率弛豫速率1/t11/t1 弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間t1t1 磁能級(jí)粒子數(shù)發(fā)生變磁能級(jí)粒子數(shù)發(fā)生變化，自旋體系能量也化，自旋體系能量也要發(fā)生變化，自旋與要發(fā)生變化，自旋與晶格交換能量，又稱晶格交換能量，又稱自旋自旋- -晶格弛豫。晶格弛豫。 mzmz是以是以

5、1/t11/t1的速的速率按指數(shù)恢復(fù)到率按指數(shù)恢復(fù)到z z方向的初值。方向的初值。)1 ()(10ttzemtm 2 橫向弛豫橫向弛豫/t2 非平衡態(tài)磁化矢量的水非平衡態(tài)磁化矢量的水平分量平分量mxymxy衰減至零的衰減至零的過(guò)程過(guò)程 弛豫速率弛豫速率1/t21/t2 弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間t2t2 磁化矢量進(jìn)動(dòng)相位從有磁化矢量進(jìn)動(dòng)相位從有序分布趨向無(wú)規(guī)則分布序分布趨向無(wú)規(guī)則分布，自旋體系內(nèi)部相互作，自旋體系內(nèi)部相互作用，自旋與晶格不交換用，自旋與晶格不交換能量，又稱自旋能量，又稱自旋- -自旋自旋弛豫。弛豫。 橫向弛豫按指橫向弛豫按指數(shù)衰減數(shù)衰減 20ttemm （一）核磁共振信號(hào)測(cè)量（一）核磁共

6、振信號(hào)測(cè)量 （二）核磁共振測(cè)井儀（二）核磁共振測(cè)井儀 （三）核磁共振測(cè)井過(guò)程與特點(diǎn)（三）核磁共振測(cè)井過(guò)程與特點(diǎn)二二 核磁共振測(cè)井核磁共振測(cè)井 1.1.自由感應(yīng)衰減法自由感應(yīng)衰減法 2.2.自旋回波法自旋回波法 3.3.反轉(zhuǎn)恢復(fù)法（測(cè)反轉(zhuǎn)恢復(fù)法（測(cè)t1t1）（一）核磁共振信號(hào)測(cè)量（一）核磁共振信號(hào)測(cè)量 自由感應(yīng)衰減的核心是利用某種方法使自由感應(yīng)衰減的核心是利用某種方法使與靜磁場(chǎng)與靜磁場(chǎng)b0b0平行的核磁化強(qiáng)度平行的核磁化強(qiáng)度m0m0扳轉(zhuǎn)扳轉(zhuǎn)9090度以度以激發(fā)自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)。激發(fā)自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)。 （1 1）射頻脈沖法）射頻脈沖法 （2 2）預(yù)極化法）預(yù)極化法1.1.自由感應(yīng)衰減法自由感應(yīng)衰減法（1

7、1）射頻脈沖法）射頻脈沖法 用一個(gè)用一個(gè)9090度射頻脈沖使原來(lái)沿靜度射頻脈沖使原來(lái)沿靜磁場(chǎng)方向的磁化矢量扳轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向的磁化矢量扳轉(zhuǎn)9090度，然度，然后進(jìn)行觀測(cè)，得到的信號(hào)即是自由后進(jìn)行觀測(cè)，得到的信號(hào)即是自由感應(yīng)衰減信號(hào)（或感應(yīng)衰減信號(hào)（或fidfid信號(hào)）信號(hào)） （早期的斯侖貝謝核磁測(cè)井儀器采（早期的斯侖貝謝核磁測(cè)井儀器采用此種方法）用此種方法）（2 2）預(yù)極化法）預(yù)極化法 在穩(wěn)定磁場(chǎng)在穩(wěn)定磁場(chǎng)b0b0的垂直方向上加一較強(qiáng)的預(yù)極的垂直方向上加一較強(qiáng)的預(yù)極化磁場(chǎng)化磁場(chǎng)bpbp，由于極化磁場(chǎng)很強(qiáng)，最初沿穩(wěn)定磁場(chǎng)，由于極化磁場(chǎng)很強(qiáng)，最初沿穩(wěn)定磁場(chǎng)建立起來(lái)的平衡態(tài)磁化強(qiáng)度建立起來(lái)的平衡態(tài)磁化強(qiáng)度

8、m0m0會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿總會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿總場(chǎng)的方向取向。場(chǎng)的方向取向。(mp)(mp) 如果極化時(shí)間足夠長(zhǎng)，如果極化時(shí)間足夠長(zhǎng)，bpb0bpb0，所以，所以mpmp近似與近似與m0m0方向垂直。這時(shí)突然撤去方向垂直。這時(shí)突然撤去bpbp，因時(shí)間很短，因時(shí)間很短，mpmp繞繞b0b0進(jìn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)（w0),w0),由于馳豫，在進(jìn)動(dòng)的同時(shí)，縱向由于馳豫，在進(jìn)動(dòng)的同時(shí)，縱向分量恢復(fù)到平衡態(tài)的分量恢復(fù)到平衡態(tài)的m0m0，而橫向分量將按有效橫，而橫向分量將按有效橫向馳豫時(shí)間向馳豫時(shí)間t2t2* *確定的速率衰減。確定的速率衰減。 這時(shí)在垂直于這時(shí)在垂直于b0b0方向上探測(cè)，在接方向上探測(cè)，在接收線圈中可以觀測(cè)到一個(gè)頻率為收線圈中可以觀測(cè)到一個(gè)頻率為w0w0變化的變化的自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)。自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)。（俄羅斯現(xiàn)代核磁測(cè)井儀（俄羅斯現(xiàn)代核磁測(cè)井儀器采用此種方法）器采用此種方法）)exp(*20ttmmpp21102*2btt 自由感應(yīng)衰減法所使用的靜自由感應(yīng)衰減法所使用的靜磁場(chǎng)磁場(chǎng)b0b0都是采用的大地地磁場(chǎng)都是采用的大地地磁場(chǎng)，因而產(chǎn)生的信號(hào)很弱。，因而產(chǎn)生的信號(hào)很弱。 2 2 自旋回波法自旋回波法 現(xiàn)代核磁信號(hào)的測(cè)量采用（現(xiàn)代核磁信號(hào)的測(cè)量采用（cmr,m