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1、医学影像物理实验讲义核磁共振生物医学工程教研室核磁共振实验1924年，泡利为了解释光谱的精细结构提出了原子核具有磁矩的设想。1939年美国哥伦比亚大学的I.I.拉比（Rabi）等人在原子束实验中首次观察到核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）现象，验证了泡利的想法。1946年，美国哈佛大学的珀塞尔（Purcell）和斯坦福大学的布洛赫（Bloch）分别报道了石蜡和水中观察到的质子核磁共振吸收信号的研究结果。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚态物质中首次发现了核磁共振。因此，布洛赫和珀塞尔分享了1952年的诺贝尔物理学奖。核磁共振具有核磁元素多、选
2、择性高、分辨率高、灵敏度高、能进行动态观测等特点，因此它的应用十分广泛。在物理学方面，利用NMR可以研究原子核的结构和性质、凝聚体的相变、弛豫过程和临界现象等；在化学工业方面，利用NMR可以研究有机材料的反应过程等；在生物医学方面，利用NMR可以研究生物组织甚至活体组织的的组织和生化过程，可以结合NMR谱与NMR成像做生理分析及医学诊断等。此外，还广泛应用于工业、农业、考古等领域。一、实验目的1、掌握的基本原理及观测方法。2、用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象。3、由共振条件测定氟核（）的g因子。二、实验原理对于处于恒定外磁场中的原子核，如果同时再在与恒定外磁场垂直的方向上加一交变电磁场，
3、就有可能引起原子核在子能级间的跃迁，跃迁的选择定则是，磁量子数的改变为，也即只有在相邻的两子能级间的跃迁才是允许的。这样，当交变电磁场的频率所相应的能量刚好等于原子核两相邻子能级的能量差时，即 （1） 时，处于低子能级的原子核就可以从交变电磁场吸收能量而跃迁到高子能级。这就是前面提到的，原子核系统在恒定和交变磁场同时作用下，并且满足一定条件时所发生的共振吸收现象核磁共振现象。由式（1）可以得到发生核磁共振的条件是 （2）满足式（2）的频率称为共振频率。如果用圆频率表示，则共振条件可以表示为 （3）由式（3）可知，对固定的原子核，旋磁比一定，调节共振频率和恒定磁场两者或者固定其一调节另一个就可以
4、满足共振条件，从而观察核磁共振现象。FD-CNMR-型核磁共振实验仪采用永磁铁，是定值，所以对不同的样品，调节射频场的频率使之达到共振频率，满足共振条件，核即从低能态跃迁至高能态，同时吸收射频场的能量，使得线圈的值降低产生共振信号。由于示波器只能观察交变信号，所以必须使核磁共振信号交替出现，FD-CNMR-型核磁共振实验仪采用扫场法满足这一要求。在稳恒磁场上叠加一个低频调制磁场，这个调制磁场实际是由一对亥姆霍兹线圈产生，此时样品所在区域的实际磁场为。由于调制场的幅值很小，总磁场的方向保持不变，只是磁场的幅值按调制频率发生周期性变化，拉摩尔进动频率也相应地发生周期性变化，即 （4） 这时只要射频
5、场的角频率调在变化范围之内，同时调制磁场扫过共振区域，即，则共振条件在调制场的一个周期内被满足两次，所以在示波器上观察到如图1-（b）所示的共振吸收信号。此时若调节射频场的频率，则吸收曲线上的吸收峰将左右移动。当这些吸收峰间距相等时，如图1-（a）所示，则说明在这个频率下的共振磁场为。如果扫场速度很快，也就是通过共振点的时间比弛豫时间小得多，这时共振吸收信号的形状会发生很大的变化。在通过共振点后，会出现衰减振荡，这个衰减的振荡称为“尾波”，尾波越大，说明磁场越均匀。三、实验仪器核磁共振实验仪主要包括磁铁及扫场线圈、探头与样品、边限振荡器、磁场扫描电源、频率计及示波器。实验装置图见图2。图 2
6、核磁共振实验装置示意图（一）磁铁磁铁的作用是产生稳恒磁场，它是核磁共振实验装置的核心，要求磁铁能够产生尽量强的、非常稳定、非常均匀的磁场。首先，强磁场有利于更好的观察核磁共振信号；其次，磁场空间分布均匀性和稳定性越好则核磁共振实验仪的分辨率越高。核磁共振实验装置中的磁铁有三类：永久磁铁、电磁铁和超导磁铁。永久磁铁的优点是，不需要磁铁电源和冷却装置，运行费用低，而且稳定度高。电磁铁的优点是通过改变励磁电流可以在较大范围内改变磁场的大小。为了产生所需要的磁场，电磁铁需要很稳定的大功率直流电源和冷却系统，另外还要保持电磁铁温度恒定。超导磁铁最大的优点是能够产生高达十几特斯拉的强磁场，对大幅度提高核磁
7、共振谱仪的灵敏度和分辨率极为有益，同时磁场的均匀性和稳定性也很好，是现代谱仪较理想的磁铁，但仪器使用液氮或液氦给实验带来了不便。FD-CNMR-型核磁共振教学仪采用永磁铁，磁场均匀度高于。（二）边限振荡器边限振荡器具有与一般振荡器不同的输出特性，其输出幅度随外界吸收能量的轻微增加而明显下降，当吸收能量大于某一阈值时即停振，因此通常被调整在振荡和不振荡的边缘状态，故称为边限振荡器。如图（2）所示，样品放在边限振荡器的振荡线圈中，振荡线圈放在固定磁场中，由于边限振荡器是处于振荡与不振荡的边缘，当样品吸收的能量不同（即线圈的Q值发生变化）时，振荡器的振幅将有较大的变化。当发生共振时，样品吸收增强，振
8、荡变弱，经过二极管的倍压检波，就可以把反映振荡器振幅大小变化的共振吸收信号检测出来，进而用示波器显示。由于采用边限振荡器，所以射频场很弱（但并不是无限弱），共振饱和的影响很小。但如果电路调节的不好，偏离边线振荡器状态很远，一方面射频场很强，出现饱和效应，另一方面，样品中少量的能量吸收对振幅的影响很小，这时就有可能观察不到共振吸收信号。（三）扫场单元观察核磁共振信号最好的手段是使用示波器，但是示波器只能观察交变信号，所以必须想办法使核磁共振信号交替出现。有两种方法可以达到这一目的。一种是扫频法，即让磁场固定，使射频场的频率连续变化，通过共振区域，当时出现共振峰。另一种方法是扫场法，即把射频场的频
9、率固定，而让磁场连续变化，通过共振区域。这两种方法是完全等效的，显示的都是共振吸收信号与频率差之间的关系曲线。B0-BB0+B图 3 扫场法检测共振信号由于扫场法简单易行，确定共振频率比较准确，所以现在通常采用大调制场技术。在稳恒磁场上叠加一个低频调制磁场，这个低频调制磁场就是由扫场单元（实际上是一对亥姆霍兹线圈）产生的。那么此时样品所在区域的实际磁场为。由于调制场的幅度很小，总磁场的方向保持不变，只是磁场的幅值按调制频率发生周期性变化（其最大值为，最小值），相应的拉摩尔进动频率也相应地发生周期性变化，即 （11）这时只要射频场的角频率调在变化范围之内，同时调制磁场扫过共振区域，即，则共振条件
10、在调制场的一个周期内被满足两次，所以在示波器上观察到如图（3）中（b）所示的共振吸收信号。此时若调节射频场的频率，则吸收曲线上的吸收峰将左右移动。当这些吸收峰间距相等时，如图（3）中（a）所示，则说明在这个频率下的共振磁场为。图 4 不带微波(a)和带尾波(b)的共振信号值得指出的是，如果扫场速度很快，也就是通过共振点的时间比弛豫时间小得多，这时共振吸收信号的形状会发生很大的变化。在通过共振点之后，会出现衰减振荡。这个衰减的振荡称为“尾波”(如图4(b)所示)，这种尾波非常有用，因为磁场越均匀，尾波越大。所以应调节匀场线圈使尾波达到最大。四、实验内容与步骤（一） 熟悉各仪器的性能并用相关线连接
11、根据实验原理并参考系统连接图5将系统的各部分用电缆连接起来，使其构成一个整体。将主机的扫场电源输出连接到永磁体机座上的扫场线圈的接线柱上，将主机的电源输出用专用的导线连接至探头机座前面板的电压输入端口，将主机的X轴偏转输出输入到示波器的某一通道，将探头机座前面板的频率测量连接到频率计的输入端口，将探头机座前面板的NMR输出连接至示波器的另一通道。将探头机座放置在合适的位置，使样品位于永磁体的均匀磁场区。检查系统连接无误后，给系统加电，依次打开示波器、频率计、主机电源和扫场电源。永磁体扫场电源开关电源开关CH 1CH 2幅度调节 相位调节移相调节扫场调节示波器频率调节频率测量A input 12
12、V电源50HZ移相50HZ扫场电源NMR输出 幅度调节数字频率计核磁共振仪图 5 核磁共振实验仪系统连接线路图（二） 测量样品：1# 1%mol 浓度CuSO4水溶液（氢核）；2# 纯水（氢核）；3# 甘油C3H8O3（氢核）； 4# HF（氢核、氟核）（三） 内扫法观察核磁共振信号接线图如图5所示。因为硫酸铜的共振信号比较明显，所以开始时应该用1%mol 浓度CuSO4水溶液，熟悉了实验操作之后，再选用其他样品调节。（1）将扫场电源的“扫场调节”旋钮顺时针调节至接近最大（旋至最大后，再往回旋半圈，因为最大时电位器电阻为零，输出短路，因而对仪器有一定的损伤），这样可以加大捕捉信号的范围；图 6
13、 示波器观察核磁共振信号（内扫法）（2）调节边限振荡器的“频率调节”电位器，将频率调节至磁铁标志的H共振频率附近，然后慢慢旋动频率调节旋钮，在此附近捕捉信号，当满足共振条件。时，可以观察到如图6所示的共振信号。调节旋钮时要尽量慢，因为共振范围非常小，很容易跳过。注：因为磁铁的磁感应强度随温度的变化而变化（成反比关系），所以应在标志频率附近的范围内进行信号的捕捉！（3）调出大致共振信号后，降低扫描幅度，调节频率至信号等宽，同时调节样品在磁铁中的空间位置以得到微波最多的共振信号。（4）测量HF样品时，将测得的氢核的共振频率，即得到氟的共振频率（例如：测量得到氢核的共振频率为20.000MHz，则氟
14、的共振频率为）。将HF样品放入探头中，仔细调节得到共振信号。由于氟的共振信号比较小，故此时应适当降低扫描幅度（一般不大于），这是因为样品的弛豫时间过长导致饱和现象而引起信号变小。射频幅度随样品而异。下表列举了部分样品的最佳射频幅度，在初次调试时应注意，否则信号太小不容易观测。部分样品的弛豫时间及最佳射频幅度范围样品弛豫时间（）最佳射频幅度范围硫酸铜约0.1mS34V甘油约25mS0.52V纯水约2S0.11V三氯化铁约0.1mS34V氟碳约0.1mS0.53V（四） 移相法观察核磁共振信号接线图如图5所示，但将磁场扫描电源前面板上的“50HZ移相”信号与示波器的CH1通道相连，将边限振荡器前面板上“共振信号输出”接至示波器的CH2通道, 按下示波器上的“X-Y”按钮，观测李萨如图形，调节磁场扫描电源上的“X轴幅度调节”及“X轴相位调节”旋钮，可以观察到信号有一定的变化。11
