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核磁共振原理及其在生物学中的应用 第一章 核磁共振基本原理 §1.1 ? §1.3 第一讲 原子核的磁矩 核磁共振现象 弛豫现象 核自旋 角动量 核磁矩 第一讲 原子核的磁矩 核磁共振现象 弛豫现象 磁矩与外磁场的相互作用能 能级分裂 核磁矩与磁场的相互作用 共振吸收 核磁能级间的跃迁 共振频率 扫频法 扫场法 热平衡时的布居数 核磁信号 几种核的性质 第一讲 原子核的磁矩 核磁共振现象 弛豫现象 弛豫现象 弛豫过程 弛豫过程的定量描述 核磁共振中的弛豫过程 自旋－晶格相互作用 自旋－晶格弛豫过程 自旋－自旋相互作用 自旋－自旋弛豫时间与线宽 * 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 自旋 角动量 核磁矩 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 A是偶数, Z是奇数时, 即p，n均奇数时，核自旋量子数I=整数, 如2D1, 14N7: I=1；50V23：I=6。 自旋: 基本粒子的内禀属性 质子，中子，电子都有自旋，自旋量子数I= 1/2 设原子的质量数为A，核电荷数(等于原子序数) 为Z ，质子数为p，中子数为n，如果原子核的自旋用核自旋量子数I来表示，那么核自旋量子数符合下面三条基本规律 A，Z都是偶数时，即p，n均偶数时，核自旋量子数I=0。如16O8，12C6，32S16：I=0； A是奇数时，即p，n中一为偶数，另一为奇数，核自旋量子数I=半整数。如1H1，19F9，31P15，3H1，15N7: I=1/2; 以及35Cl17, 37Cl17：I=3/2; 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 角动量: 与自旋相关的物理量 角动量在磁场中的空间量子化 m称为核的磁量子数, m=I, I-1, …，-I+1, -I ,共2I+1个 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 核磁矩?和核角动量I之间存在如下关系 ?＝?I ?是核自旋旋磁比，不同的核有不同的旋磁比 核磁矩在磁场中也是空间量子化的 m称为核的磁量子数, m=I, I-1, …，-I+1, -I ,共2I+1个 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 磁矩与外磁场的相互作用能 共振吸收 热平衡时的布居数 核磁信号 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 在外磁场B0中，磁矩?与磁场相互作用，E＝－??B0=－?zB0 因为?z = ??m, 所以 E＝－??mB0 不同的空间取向导致核能级发生塞曼分裂 自旋量子数=I的核有 2I+1个能级 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 B0 ? 以质子为例，I＝1/2 ，m＝?1/2, 在外磁场B0作用下分裂成为两个能级 E?＝-??B0/2＝-??0/2 (m = +1/2) E?＝??B0/2＝??0/2 (m = -1/2) 其中?0＝?B0，为拉摩频率 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 B0=0 B0?0 1H,13C,15N等核自旋量子数I=?,在外磁场中有两种取向 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 共振条件: 在静磁场B0存在的同时，再加一个射频交变磁场B1 方向与之垂直 强度远小于B0 满足频率条件: 自发辐射 受激辐射 受激吸收 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 B0=0 B0?0 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 质子共振频率?p (单位MHz)与磁场强度B0 (单位特斯拉－T)之间的关系如下: ?p =42.57708B0 扫频法 扫场法 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 ?=?B0/2? 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 上下能级粒子布居数符合 玻尔兹曼分布 高温近似下 对质子来说 (I=1/2)，当T = 300?K，B0 = 2.3488T即100MHz时 ?p=10-5 在热平衡状态下，相邻两能级上粒子数差是很小的 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 核磁共振信号是大量核的贡献的总和 受激辐射和受激吸收的几率相同，在射频场作用下的净跃迁由上下能级的布居数之差决定。很小的布居数差表明核磁信号很弱，因此核磁共振的灵敏度很低 核磁共振基本原理 1讲 吴季辉 核磁信号与一个核磁矩大小成正比(?) 核磁信号与两能级的布居数差值成正比(?B0) 核磁检测信号又与信号频率成正比(?B0) 因此核磁信号正比于?的3次方,正比于磁场强度的平方 40.481 6.63?10-2 6.63?10-2 100 1/2 31P 26.451 9.25?10-2 9.25?10-2 100 3/2 23Na 94.077 8.30?10-1 8.33?10-1 100 1/