核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告-2

PAGE9/9核磁共振的穩(wěn)態(tài)吸收學(xué)號：XXXX姓名：XXX班別：XXXX報(bào)告僅供參考，抄襲有風(fēng)險(xiǎn)，切記【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】將裝有核樣品的玻璃管插入振蕩線圈中并放置在磁鐵的中心位置，使振蕩線圈軸線與穩(wěn)恒磁場方向相互垂直。調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膾邎鰪?qiáng)度，緩慢調(diào)節(jié)射頻場的頻率，搜索NMR信號。分別改變射頻場的強(qiáng)度、頻率，觀察記錄吸收信號幅度的變化；改變樣品在磁場中的位置觀察磁場均勻度對吸收波形的影響；改變掃場，觀察記錄吸收信號幅度的變化；找出最佳實(shí)驗(yàn)觀測狀態(tài)，并采用吸收峰等間距的方法觀測共振吸收信號。分別將相關(guān)圖形用數(shù)字示波器采集到U盤中由數(shù)字頻率計(jì)測量射頻場的頻率，用高斯計(jì)測量樣品所在處的穩(wěn)恒磁場強(qiáng)度B。有所得數(shù)據(jù)計(jì)算、朗德因子和磁矩核樣品換為濃度更大的樣品（樣品系老師提供，名稱未知），找出最佳實(shí)驗(yàn)觀測狀態(tài)，并采用吸收峰等間距的方法觀測共振吸收信號，信號圖形用數(shù)字示波器采集到U盤中。【實(shí)驗(yàn)分析】（一）觀察并找出影響共振信號的因素（1）射頻信號對核磁共振的影響分別改變射頻場的強(qiáng)度和頻率，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下（見下頁）：圖1改變射頻場的幅度前后共振信號的變化（左圖為改變前，右圖為改變后）圖2改變射頻場的頻率前后共振信號的變化（左圖為改變前，右圖為改變后）分析：由以上的圖形知，在改變射頻場的強(qiáng)度（或頻率）前，共振吸收波形為等間距波；改變強(qiáng)度（或頻率）后，共振吸收波形不再為等間距波形。理論上，最強(qiáng)的共振信號與邊限振蕩器剛剛起振的狀態(tài)相對應(yīng)。射頻幅度增大,其共振信號反而減弱。射頻幅度影響射頻頻率,對于已調(diào)好的狀態(tài),如改變射頻幅度,則共振信號不再等間距。（2）掃場對核磁共振的影響改變掃場幅值，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下：圖3改變掃場幅值前后共振信號的變化（左圖為改變前，右圖為改變后）分析：由以上圖形知，改變掃場幅值前后共振信號的間距沒有改變，但共振信號幅值發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)一般采用50Hz交流電通過自耦變壓器降壓，然后送到掃場線圈，這時(shí)便在穩(wěn)恒磁場上疊加了一個(gè)交變磁場作為掃場．此時(shí)，要求掃場通過共振區(qū)的時(shí)間要遠(yuǎn)較縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2長得多．采用50Hz的掃場通常制備好的樣品來說，是未能滿足穩(wěn)態(tài)條件的，因?yàn)閽邎鏊俣炔粔蚓徛?，以致磁化?qiáng)度未能緊跟磁場的變化，共振吸收信號的最大值略滯后于共振點(diǎn)，且在共振區(qū)后出現(xiàn)擺動尾波．當(dāng)采用T2很小的固體樣品來做實(shí)驗(yàn)時(shí)，50Hz掃場區(qū)可看作滿足穩(wěn)態(tài)條件，這時(shí)共振信號沒有尾波出現(xiàn)。然而，若掃場幅值太小而未能掃過整個(gè)譜線范圍，則信號幅值較?。蝗魭邎龇堤髸r(shí)，由于掃過共振區(qū)的時(shí)間太短，以致一些粒子還來不及實(shí)現(xiàn)能級躍遷，因而信號幅值也較小．（3）穩(wěn)恒磁場對核磁共振的影響改變樣品在磁場中的位置，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下：圖4改變樣品位置前后共振信號的變化（左圖為離磁場中心近，右圖為離磁場中心遠(yuǎn)）分析：由圖形知，在偏離磁場中心時(shí)（此時(shí)磁場為不均勻磁場）共振信號峰谷值相差較大，且偏離磁場中心越遠(yuǎn)則共振信號畸變越大。理認(rèn)上，外磁場空間分布的均勻性與否對共振信號的質(zhì)量影響極大，若磁場不均勻，將會使共振譜線產(chǎn)生附加展寬，一般來說，當(dāng)磁場的不均勻性大于10-4時(shí)，共振信號會因磁場非均勻展寬而嚴(yán)重變小，甚至消失．因此，要想觀察到清晰的核磁共振信號，磁場在樣品范圍內(nèi)應(yīng)高度均勻．原因之一是核磁共振信號由共振吸收的頻率條件hυ=gμB決定，如果磁場不均勻，則樣品內(nèi)各部分的共振頻率不相等，對于偏離υ（4）樣品濃度對核磁共振的影響分別測量c核樣品和濃度更大的樣品（樣品系老師提供，名稱未知），得到測量圖形如下：圖5不同樣品的共振信號（左圖為1H樣品，右圖為濃度較大的未知樣品）分析：由圖形可知，樣品濃度對共振信號的影響主要是弛豫時(shí)間的不同。由于右圖的樣品未知（但知道其濃度比1H樣品大），故只能作定性比較，即弛豫時(shí)間隨溶液濃度的增大而減小。討論其物理機(jī)制：核磁弛豫過程是自旋核與環(huán)境以及自旋核之間通過相互作用進(jìn)行能量交換的過程．涉及原子核的偶極-偶極相互作用、自旋-旋轉(zhuǎn)相互作用、化學(xué)位移各向異性相互作用、電四極矩相互作用以及標(biāo)量耦合作用等諸多方面．在水溶液中，氫原子核的環(huán)境中（通稱“晶格”）水中的氧原子的質(zhì)量都遠(yuǎn)大于氫原子。溶液中等量的氫原子周圍平均含有的晶格雜質(zhì)越多，質(zhì)量越大，能量交換就越快，弛豫時(shí)間也越短．因此隨著溶液濃度的增大，弛豫時(shí)間呈現(xiàn)減小的趨勢。（4）溫度對核磁共振的影響理論上，核磁共振吸收信號與溫度成反比,溫度越高粒子差數(shù)越小,對觀察核磁共振信號越不利。由于實(shí)驗(yàn)室溫度在做實(shí)驗(yàn)前后改變不大，故沒有測量相關(guān)數(shù)據(jù)。（二）計(jì)算氫核的旋磁比、朗德因子和磁矩調(diào)節(jié)出最佳實(shí)驗(yàn)觀測狀態(tài)，共振信號如圖6所示（見下頁）：圖61H樣品的共振圖形實(shí)驗(yàn)測量射頻場的頻率為：υ=19.93767MHz樣品所在處的穩(wěn)恒磁場強(qiáng)度為：B=0.496T氫核的旋磁比為：γ=由于核磁子為：μ則氫核的朗德因子為：g由于氫核的角動量為：P則氫核的磁矩可求得為：μ朗德因子的理論值為gN理論=5.5851，則實(shí)驗(yàn)測得朗德因子E=【分析】：=1\*GB3①實(shí)驗(yàn)時(shí)較難找出共振點(diǎn)，故須慢慢旋轉(zhuǎn)射頻邊限振蕩器上的頻率旋扭,同時(shí)仔細(xì)觀察示波器上的信號,當(dāng)巨大的噪聲背景中出現(xiàn)一明顯的突變,且該突變在掃描電壓信號一個(gè)周期的范圍內(nèi)僅出現(xiàn)三處,這時(shí)則找到了核磁共振信號。最后在該頻率位置反復(fù)細(xì)調(diào),直到核磁共振信號非常明顯。=2\*GB3②產(chǎn)生誤差的原因有主觀原因及客觀：主觀原因?yàn)樵谂袛嗍欠竦乳g距時(shí)存在主觀的誤差。客觀原因有二：一為實(shí)驗(yàn)過程中有多組實(shí)驗(yàn)同時(shí)展開，各儀器之間存在較大干擾；二是樣品未能精確地放置于磁場中心，即未能使樣品置于均勻磁場下。（三）核磁共振弛豫時(shí)間弛豫過程是由于物質(zhì)間相互作用產(chǎn)生的，發(fā)生核磁共振的前提是核自旋體系磁能級間自旋粒子數(shù)差不為零，而核磁共振本身是以粒子數(shù)差n按指數(shù)規(guī)律下降為代價(jià)的，由于共振吸引，系統(tǒng)處于非平衡態(tài)，系統(tǒng)由非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)的過程叫弛豫過程，弛豫是與射頻場誘導(dǎo)躍遷相反的機(jī)制，當(dāng)兩者的作用處于動態(tài)平衡時(shí)，可觀察到穩(wěn)定的共振信號。弛豫因涉及磁化強(qiáng)度的縱向和橫向分量,因而可分為縱向弛豫和橫向弛豫，縱向弛豫起因于自旋-晶格之間的相互作用，縱向弛豫時(shí)間T1反映自旋系統(tǒng)粒子數(shù)差從非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的特征時(shí)間常數(shù)，T1越短表明自旋-晶格相互作用越強(qiáng)。橫向弛豫T2源于自旋-自旋之間的相互作用，橫向弛豫時(shí)間表征了由于非平衡態(tài)進(jìn)動相位相關(guān)產(chǎn)生的不為零的磁化強(qiáng)度橫向分量恢復(fù)到平衡態(tài)時(shí)相位無關(guān)的特征時(shí)間常數(shù)。（1）實(shí)驗(yàn)中可通過尾波法測量樣品的共振橫向弛豫時(shí)間T2分別測量兩個(gè)樣品的橫向弛豫時(shí)間T2，兩樣品共振信號如下圖所示：圖7不同樣品的共振信號（左圖為1H樣品，右圖為濃度較大的未知樣品）分別用Origin7.5取其波峰值做指數(shù)衰減擬合得到下圖：圖8：1H樣品的橫向弛豫時(shí)間圖9：濃度較大樣品橫向弛豫時(shí)間由圖8及圖9可知，1H樣品的橫向弛豫時(shí)間為：T濃度較大樣品橫向弛豫時(shí)間為：T比較兩樣品橫向弛豫時(shí)間可得：T2>T2‘即濃度大的樣品弛豫時(shí)間比濃度小的樣品（四）關(guān)于測量核磁共振弛豫時(shí)間的拓展可利用內(nèi)掃描法測量核磁共振弛豫時(shí)間，具體步驟為：按實(shí)驗(yàn)裝置連好線路，將樣品放入探頭的線圈中，且使樣品和線圈置于磁鐵的中央(磁場最均勻處)，調(diào)節(jié)幅度和頻率，使出現(xiàn)共振信號，移動探頭的位置，使信號最強(qiáng)。讀出三峰等間隔時(shí)的頻率f1，二峰合一剛消失一瞬間時(shí)的頻率f2，半高寬Δt，則T其中ω1=2πf1，ω2【思考題】觀測NMR共振時(shí)需要提供哪幾種磁場，它們各起什么作用？答：（1）穩(wěn)恒磁場。穩(wěn)恒磁場提供產(chǎn)生能級塞曼分裂的外磁場。穩(wěn)恒磁場要求磁鐵能夠盡量產(chǎn)生強(qiáng)的、穩(wěn)定均勻的磁場。強(qiáng)磁場有利于更好的觀察核磁共振信號；磁場空間分布均勻性和穩(wěn)定性越好則核磁共振實(shí)驗(yàn)儀的分辨率越高。（2）掃描磁場。掃描磁場產(chǎn)生一較弱的調(diào)制磁場疊加在主磁場上，使作用于樣品的外磁場周期性變化，每當(dāng)總磁場掃過磁共振點(diǎn)時(shí)，樣品發(fā)生共振吸收，在示波器上可以觀察到一個(gè)吸收峰。掃場磁場的掃場速度應(yīng)足夠緩慢，以使磁化強(qiáng)度能緊跟磁場的變化。（3）射頻場。邊限振蕩器產(chǎn)生的射頻場作用于樣品，當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，樣品吸收射頻場能量使得回路Q值下降，導(dǎo)致振蕩變?nèi)跽穹冃?，，即射頻振蕩受到共振吸收的調(diào)制。被調(diào)制的射頻信號經(jīng)檢波濾波后，便得到NMR吸收信號。掃場法和掃頻法各有什么特點(diǎn)？本實(shí)驗(yàn)?zāi)男┯^測過程使用了掃頻法？答：掃場法，即把射頻場的頻率固定，而讓磁場連續(xù)變化，通過共振區(qū)域。掃場法簡單易行，確定共振頻率比較準(zhǔn)確。掃頻法，即讓磁場固定，使射頻場的頻率連續(xù)變化，通過共振