核磁共振是什麼-核磁共振的基本原理

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核磁共振是什麼_核磁共振的基本原理

核磁共振是什麼

核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振波譜學是光譜學的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。

核磁共振應用：核磁共振成像(MRI)檢查已經成為一種常見的影像檢查方式，核磁共振成像作為一種新型的影像檢查技術，不會對人體健康有影響，但六類人羣不適宜進行核磁共振檢查：即使安裝心臟起搏器的人、有或疑有眼球內金屬異物的人、動脈瘤銀夾結紮術的人、體內金屬異物存留或金屬假體的人、有生命危險的危重病人、幽閉恐懼症患者等。不能把監護儀器、搶救器材等帶進核磁共振檢查室。另外，懷孕不到3個月的孕婦，最好也不要做核磁共振檢查。

核磁共振的基本原理

原子核的自旋

核磁共振主要是由原子核的自旋運動引起的。不同的原子核，自旋運動的情況不同，它們可 以用核的自旋量子數I來表示。自旋量子數與原子的質量數和原子序數之間存在一定的關係，大致分為三種情況，如下表。

分類

質量數

原子序數

自旋量子數I

NMR信號

I

偶數

偶數

0

無

II

偶數

奇數

1,2,3，…(I為整數)

有

III

奇數

奇數或偶數

0.5,1.5，2.5，…(I為半整數)

有

I值為零的原子核可以看做是一種非自旋的球體，I為1/2的原子核可以看做是一種電荷分 布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分佈均勻的自旋 球體。I大於1/2的原子核可以看做是一種電荷分佈不均勻的自旋橢球體。[2]

核磁共振現象

原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒有磁矩，能自旋的核有循環的電流，會產生磁場，形成磁矩(μ)。

μ=γP

式中，P是角動量矩，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角動量矩之間的比值，因此是各種核的特徵常數。

當自旋核(spin nuclear)處於磁感應強度為B0的外磁場中時，除自旋外，還會繞B0運動，這種運動情況與陀螺的運動情況十分相像，稱為拉莫爾進動(larmor process)。自旋核進動的角速度ω0與外磁場感應強度B0成正比，比例常數即為磁旋比(magnetogyric ratio)γ。式中ν0是進動頻率。

ω0=2πν0=γB0

原子核在無外磁場中的運動情況如下圖，微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的(方向量子化)，自旋量子數為I的原子核在外磁場作用下只可能有2I+ l個取向，每一個取向都可以 用一個自旋磁盤子數m來表示，m與I之間的關係是

m=I,I-1,I-2…-I

1H自旋核在外磁場中的兩種取向示意圖

1H自旋核在外磁場中的.兩種取向示意圖(4張)

原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態，I值為1/2的核在外磁場作用下只有兩種取向，各相當於m=1/2 和m=-1/2，這兩種狀態之間的能量差ΔE值為

ΔE=γhB0/2π

一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收ΔE的能量。讓處於外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等於自旋核兩種不同取向的能量差時，處於低能態的自旋核 吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時，由於該射頻的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的條件為

hν射=ΔE(即2πν射=ω射=γB0)　①

目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振稱為質子磁共振 (Proton Magnetic Resonance)，簡稱 PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振(Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance)簡稱 CMR，也表示為13C-NMR。[2]

核磁共振飽和與馳豫

1H的自旋量子數是I=1/2，所以自旋磁量子數m=±1/2，即氫原子核在外磁場中應有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級，在磁場中，m=1/2時，E=-μB0，能量較低，m=-1/2時，E=μB0，能量較高，兩者的能量差為ΔE=2μB0，見下圖。

式①，式②説明：處於低能級的1H核吸收E射的能量時就能躍遷到高能級。也即只有當電磁波的輻射能等於lH的能級差時，才能發生1H的核磁共振。

E射=hν射=ΔE=hν0　②因此1H發生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等於1H的進動頻率，既符合下式。

ν射=ν0=γB0/2π　③由式③可知：要使ν射=ν0，可以採用兩種方法。一種是應強度，逐漸改變電磁波的輻射頻率ν射，進行掃描，當ν射與B0匹配時，發生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率，然後從低場到高場，逐漸改變B0，當 B0與ν射匹配時，也會發生核磁共振(見右圖)。這種方法稱為掃場。—般儀器都採用掃場的方法。固定磁感

在外磁場的作用下，有較多1H傾向於與外磁場取順向的排列，即處於低能態的核數目比 處於高能態的核數目

多，但由於兩個能級之間 能差很小，前者比後者只佔微弱的優勢1H-NMR的訊號正是依靠這些微弱過剩的低能態核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高級而產生的。如高能態核無法返回到低能態，那麼隨着躍遷的不斷進行，這種微弱的優勢將進一步減弱直到消失，此時處於低能態的1H核數目與處於高能態核數目逐漸趨於相等，與此同步，PMR的 訊號也會逐漸減弱直到最後消失。上述這種現象稱為飽和。

1H核可以通過非輻射的方式從高能態轉變為低能態，這種過程稱為弛豫(relaxation)，正是 因為各種機制的弛豫，使得在正常測試情況下不會出現飽和現象。弛豫的方式有兩種，處於高能態的核通過交替磁場將能量轉移給周圍的分子，即體系往環境釋放能量，本身返回低能態，這個 過程稱為自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示，T1稱為自旋晶格弛豫時間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的總體能量，又稱為縱向弛豫。兩個處在一定距離內，進動頻率相同、進動取向不同的 核互相作用，交換能量，改變進動方向的過程稱為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱為自旋-自旋弛豫時間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的總體能量，又稱為橫向弛豫。[2]

核磁共振丰度和靈敏度

天然豐富的12C的I值為零，沒有核磁共振信號。13C的I值為1/2，有核磁共振信號。通常 説的碳譜就是13C核磁共振譜。由於13C與1H的自旋量子數相同，所以13C的核磁共振原理與1H相同。但13C核的γ值僅約為1H核的1/4，而檢出靈敏度正比於γ3，因此即使是丰度100%的13C 核，其檢出靈敏度也僅為1H核的1/64，再加上13C的丰度僅為1.1%，所以，其檢出靈敏度僅約 為1H核的1/6000。這説明不同原子核在同一磁場中被檢出的靈敏度差別很大，13C的天然丰度 只有12C的1.108%。由於被檢靈敏度小，丰度又低，因此檢測13C比檢測1H在技術上有更多的困難。下表是幾個自旋量子數為1/2的原子核的天然丰度和相對靈敏度。