大學物理核磁共振實驗內(nèi)容整合與擴展

楊曉紅，劉宏宇，李佳明，劉志鵬

(沈陽工程學院 a.基礎(chǔ)部；b.能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

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大學物理核磁共振實驗內(nèi)容整合與擴展

楊曉紅a，劉宏宇b，李佳明b，劉志鵬b

(沈陽工程學院a.基礎(chǔ)部；b.能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

對目前大學物理實驗教材中的核磁共振實驗內(nèi)容進行了整合與拓展。將該實驗內(nèi)容分為兩部分：現(xiàn)有教材中的實驗內(nèi)容為基礎(chǔ)部分；橫向弛豫時間的測定、橫向弛豫時間與順磁離子溶液濃度的關(guān)系、乙醇汽油低含水量的測定為拓展部分。學生可以根據(jù)專業(yè)需要及學習情趣進行選擇性學習，滿足了不同專業(yè)、不同層次學生的需要。

大學物理實驗；核磁共振實驗；橫向弛豫時間

核磁共振實驗是高等院校理工科專業(yè)大學物理實驗教學中重要的項目之一。目前，該實驗的全部內(nèi)容是：通過觀察連續(xù)波的核磁共振現(xiàn)象，測量氫核、氟核的共振頻率，計算樣品的旋磁比、朗德因子、核磁矩和磁場的磁感應(yīng)強度。完成上述實驗內(nèi)容能夠使學生了解核磁共振的基本原理，掌握核磁共振實驗的基本方法及一些相關(guān)物理量的計算。這些內(nèi)容所涉及的實驗操作和計算都比較簡單，對于機械類、電氣信息類、能源動力類等專業(yè)的學生比較適合，而對于核磁共振應(yīng)用較多的化工類、醫(yī)藥類等專業(yè)的學生來說則相對單薄，故將核磁共振實驗內(nèi)容重新整合與擴展是十分必要。為此，將該實驗內(nèi)容分為兩部分：一是基礎(chǔ)部分，二是擴展部分，不同工科專業(yè)學生可根據(jù)本專業(yè)的需要進行選擇性學習。

1 實驗原理

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是指將具有奇數(shù)個核子(包括質(zhì)子和中子)的原子核置于磁場中，施以特定頻率的射頻場后，發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象。由于共振吸收，系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，在射頻脈沖停止后，核子將釋放所有吸收的能量返回熱平衡狀態(tài)。該過程所需時間為弛豫時間，即描述原子核之間以及原子核與周圍介質(zhì)間相互作用及能量傳遞的重要參數(shù)，分為縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2。無論是T1還是T2，都與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及物質(zhì)內(nèi)部的相互作用有關(guān)。核磁共振的縱向弛豫時間T1在一定程度上表征樣品分子的動態(tài)信息，例如在醫(yī)學領(lǐng)域中，可根據(jù)癌細胞中水的縱向弛豫時間T1與正常組織中水的弛豫時間之間的比較來進行醫(yī)學診斷。因此，對弛豫時間的研究已被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，故將弛豫時間的相關(guān)內(nèi)容作為核磁共振實驗的拓展內(nèi)容是十分必要。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

該實驗采用FD-CNMR-1型核磁共振儀，磁場掃描電源頻率為50 Hz；磁鐵磁場4 502 GS，外置頻率計范圍為18～25 MHz；電子天平，分度值為0.001 g，實驗環(huán)境為25 ℃。

2.2 實驗樣品

2.2.1 不同濃度硫酸銅水溶液的配制

采用硫酸銅晶體和純凈水定量配制濃度(溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù))在0.1%～5.0%之間的若干種硫酸銅水溶液作為樣品，用于測氫核的核磁共振橫向弛豫時間。

2.2.2 不同含水量乙醇汽油的配制

將93#汽油和無水乙醇按7:3的比例配制出乙醇汽油，分成若干份，并向其中加入不同體積的蒸餾水，配制出含水量分別為0%、0.25%、0.50%～2.25%、2.50%的乙醇汽油樣品，并在上述配好的乙醇汽油樣品中加入過量的順磁離子溶液氯化錳四水待測量[1]。

2.3 實驗方法

圖1 核磁共振實驗裝置

3 拓展實驗內(nèi)容及分析

3.1 橫向弛豫時間T2與順磁離子溶液濃度的關(guān)系

樣品中氫核的橫向弛豫時間不僅與樣品中是否加入順磁離子有關(guān)，而且還與順磁離子溶液的濃度有關(guān)。實驗中，將硫酸銅晶體和純凈水配制成濃度為0.1%～5.0%之間的18種硫酸銅水溶液作為實驗樣品，測得氫核的核磁共振橫向弛豫時間T2(在相同的實驗條件下多次測量結(jié)果的平均值)如表1所示，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制出橫向弛豫時間T2與溶液濃度C的關(guān)系曲線，如圖2所示。

表1 核氫T2隨硫酸銅水溶液濃度的變化

圖2 橫向弛豫時間T2與溶液濃度C關(guān)系曲線

由測量結(jié)果及T2—C關(guān)系曲線可見，T2隨溶液濃度的增大而單調(diào)遞減。因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行能量交換的過程，所以這個能量交換過程越快，弛豫時間就越短。在硫酸銅水溶液中，氫原子核所處的環(huán)境中含有硫酸銅的正、負離子和水中的氧原子，它們的質(zhì)量都遠大于氫原子。顯然，隨著硫酸銅水溶液濃度的增大，這些粒子的數(shù)量和質(zhì)量都在增加，所以溶液中等量的氫原子周圍平均分布的這些粒子越多，氫原子核與它們相互作用的幾率就越大，能量交換就越迅速，弛豫時間也就越短[3]。

3.2 測量乙醇汽油的低含水量

同樣采用“示波器內(nèi)掃法”測量10種不同含水量乙醇汽油的橫向弛豫時間T2，實驗數(shù)據(jù)如表2(在相同的實驗條件下多次測量結(jié)果的平均值)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出橫向弛豫時間與含水量之間的關(guān)系曲線，如圖3所示，并擬合出相應(yīng)的實驗公式。

表2 乙醇汽油的T2隨含水量的變化

圖3 橫向弛豫時間 T2與含水量C關(guān)系曲線

從實驗曲線可見，加入順磁離子溶液氯化錳四水之后，乙醇汽油的橫向弛豫時間T2隨含水量的增加而增加，經(jīng)過擬合后，兩者之間的關(guān)系式為

T2=32C2+72C+80

擬合的相關(guān)系數(shù)約為0.98，說明橫向弛豫時間T2與含水量之間較好地滿足了二次多項式關(guān)系，所以可采用上述公式粗略測量乙醇汽油的低含水量[4]。

3.3 實驗誤差分析

2)實驗中各種樣品均暴露在空氣中，這樣會使溶液樣品中溶解少量的氧氣，溶解態(tài)的氧是一種順磁雜質(zhì)，會影響橫向弛豫時間[5]。

3)實驗樣品的配制也會給實驗結(jié)果帶來誤差。樣品的濃度較大時，溶質(zhì)分布均勻性的統(tǒng)計漲落會帶來誤差；樣品的濃度較小時，溶液內(nèi)雜質(zhì)等因素會給樣品濃度值帶來誤差[3]。

4)T2公式中的半高寬是根據(jù)示波器掃描時間估讀出來的，會存在一定的測量誤差。

4 結(jié) 語

通過對大學物理核磁共振實驗內(nèi)容進行探討，將目前教材中該實驗內(nèi)容重新進行了整合和拓展。其中，對不同樣品溶液中氫原子核橫向弛豫時間的測量，是物理學、化學等相關(guān)專業(yè)在核磁共振領(lǐng)域開展物理實驗教學的一次探索；研究順磁離子溶液濃度與橫向弛豫時間的關(guān)系，是把進行簡單測量的實驗教學拓展到研究物質(zhì)性質(zhì)的領(lǐng)域。特別是對乙醇汽油低含水量的測量，是將理論與實踐相結(jié)合、應(yīng)用物理知識解決實際問題的教學新嘗試。在實驗教學中，學生可根據(jù)自已的專業(yè)及學習興趣對不同內(nèi)容進行選擇性地學習。通過學習這些擴展內(nèi)容，必將大大激發(fā)學生的學習熱情和學習情趣，從而實現(xiàn)“提高學生的實踐能力、應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力”的教學目標。

[1]白懷勇，周 格，王殿生.核磁共振測量乙醇汽油低含水量的實驗探索[J].大學物理實驗，2013,26(1)：7-11.

[2]趙平華，于 濤.核磁共振弛豫時間和磁場均勻性的研究[J].長春師范學院學報：自然科學版，2007,26(2)：36-38.

[3]臧充之，張潔天，彭培芝.核磁共振弛豫時間與溶液濃度的實驗研究[J].物理通報， 2005(10)：30-32.

[4]牛法富，趙繼飛，孟軍華，等.利用核磁共振測量乙醇汽油溶液濃度[J].物理實驗， 2011,31(11)：37-39.

[5]楊曉紅，趙 輝，李顯材，等.核磁共振實驗拓展研究[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2009，5(3)：289-291.

(責任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Reintegration and Extension to Nuclear Magnetic Resonance Experiment in College Physics

YANG Xiao-honga,LIU Hong-Yub,LI Jia-Mingb,LIU Zhi-Pengb

(a. Department of Preparatory Course,b. College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Nuclear magnetic resonance (NMR) experiment was reintegrated and innovated based on the corresponding content in the textbook Physical Experiment of College. The initial content in that textbook was regarded as the foundation module of the new-designed NMR experiment. Measurement forT2relaxation time,analysis for correlation betweenT2and the concentration of paramagnetic ion and the measurement for low water content of ethanol-gasoline were added as the extension modules. Students can decide which module to learn based on their major and personal interest.As a result,this new-designed NMR experiment can satisfy the needs of students from different majors and academic levels.

College Physics Experiment； NMR Experiment；T2Relaxation Time

2015-04-13

楊曉紅(1964-)，女，山東蒼山人，副教授。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.021

O482.53

A

1673-1603(2015)03-0282-04