振蕩幅度對(duì)核磁共振信號(hào)影響的實(shí)驗(yàn)研究

劉竹琴，薛昭敏，何香林

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

核磁共振是指具有磁矩的原子核在恒定磁場(chǎng)中由電磁波引起的共振躍遷現(xiàn)象，自發(fā)現(xiàn)至今，已有七十多年的歷史。核磁共振實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中具有代表性的重要實(shí)驗(yàn)。核磁共振理論已成為一種探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的分析手段，是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最重要的分析、診斷工具。目前文獻(xiàn)[1-6]對(duì)核磁共振理論應(yīng)用的研究較多，但對(duì)測(cè)量結(jié)果影響因素的探討較少。為此，本文用實(shí)驗(yàn)的方法研究了核磁共振振蕩器振蕩幅度對(duì)共振信號(hào)幅度、頻率以及旋磁比測(cè)量的影響。

1 核磁共振理論基礎(chǔ)

(1)

式中γ為旋磁比，e為電子電量，mp為質(zhì)子質(zhì)量，gN為朗德因子。

原子核角動(dòng)量的大小為

(2)

PB=m·?，

(3)

式中m稱為磁量子數(shù)，可以取

m=I,I-1，…，-(I-1)，-I。

μB=gNμN(yùn)m，

(4)

式中μN(yùn)=5.050 787×10-27JT-1稱為核磁子，是核磁矩的單位。

△E=Em1-Em2=-gN·μN(yùn)·B·(m1-m2)。

(5)

△E=gN·μN(yùn)·B。

(6)

hυ0=gNμN(yùn)B0，

(7)

(8)

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置如圖1所示，是由勻強(qiáng)磁場(chǎng)組件、邊限振蕩器、信號(hào)檢測(cè)器、頻率計(jì)及示波器等組成。

圖1 核磁共振實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 測(cè)量方法

1)分別配制濃度為0.01 g/mL的硫酸銅(CuSO4)、三氯化鐵(FeCl3)、氯化錳(MnCl2)、丙三>醇(C3H8O3)水溶液。

2)開啟電源，將裝有硫酸銅樣品的試管放入試劑探頭插孔內(nèi)，使樣品處于磁場(chǎng)的中心位置。調(diào)節(jié)振蕩器振蕩幅度的大小為0.050 V，此時(shí)調(diào)節(jié)振蕩線圈頻率的粗調(diào)旋鈕，仔細(xì)調(diào)節(jié)，當(dāng)觀察到有共振信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，再改調(diào)細(xì)調(diào)旋鈕，直到顯示的共振信號(hào)三峰等間隔為止，記錄共振信號(hào)頻率和共振信號(hào)幅度。依次改變振蕩器振蕩幅度為0.100 V、0.150 V、0.200 V、0.250 V、0.300 V，按上述方法分別調(diào)節(jié)共振信號(hào)，記錄相應(yīng)的共振頻率和共振信號(hào)幅度。

3)更換待測(cè)樣品分別為三氯化鐵、氯化錳、丙三醇、純水，重復(fù)上述操作，記錄共振信號(hào)頻率和共振信號(hào)幅度。

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

1)用YK-450A數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)量樣品所在處的磁場(chǎng)為B0=0.516 8 T。

2)硫酸銅、三氯化鐵、氯化錳、丙三醇的水溶液及純水的核磁共振信號(hào)幅度、頻率測(cè)量數(shù)據(jù)分別見表1、表2、表3、表4和表5。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1)根據(jù)表1至表5的測(cè)量數(shù)據(jù)，作共振信號(hào)幅度與振蕩器振蕩幅度關(guān)系圖，如圖2所示。從圖2可直觀地看出：測(cè)量H核的五種水溶液共振信號(hào)幅度從大到小依次是三氯化鐵—硫酸銅—丙三醇—氯化錳—純水；五種水溶液共振信號(hào)幅度隨著振蕩幅度的變化各不相同，其中三氯化鐵、氯化錳共振信號(hào)幅度隨振蕩幅度的增大而增大，硫酸銅、丙三醇、純水共振信號(hào)幅度隨振蕩幅度的增大而減小。

表1 硫酸銅水溶液共振信號(hào)與振蕩器振蕩幅度變化關(guān)系表

表2 三氯化鐵水溶液共振信號(hào)與振蕩器振蕩幅度變化關(guān)系表

表3 氯化錳水溶液共振信號(hào)與振蕩器振蕩幅度變化關(guān)系表

表4 丙三醇水溶液共振信號(hào)與振蕩器振蕩幅度變化關(guān)系表

表5 純水共振信號(hào)與振蕩器振蕩幅度變化關(guān)系表

圖2 共振信號(hào)幅度與振蕩器振蕩幅度關(guān)系圖

2)根據(jù)表1至表5的測(cè)量數(shù)據(jù)，作共振信號(hào)頻率與振蕩器振蕩幅度關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 共振信號(hào)頻率與振蕩器振蕩幅度關(guān)系圖

從圖3可直觀地看出：測(cè)量H核的五種水溶液共振信號(hào)頻率從大到小幾乎依次是純水—硫酸銅—三氯化鐵—氯化錳—丙三醇；五種水溶液共振信號(hào)頻率隨振蕩幅度的增大而減小。分析1)和2)可得：實(shí)驗(yàn)樣品的最佳振蕩幅度，見表6。

表6 部分樣品最佳振蕩幅度范圍

3)計(jì)算H核的旋磁比γ

由表1至表5的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)(8)式計(jì)算五種水溶液在不同振蕩幅度下的H核旋磁比γ，計(jì)算結(jié)果見表1至表5。關(guān)于g因子和核磁矩μ在此不再計(jì)算。

已知H核旋磁比的理論值為γ0=267.52 MHz/T，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值相比計(jì)算其相對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果見表1至表5，由計(jì)算結(jié)果可知，振蕩器振蕩幅度對(duì)測(cè)量結(jié)果具有一定影響，但其相對(duì)誤差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了核磁共振實(shí)驗(yàn)中振蕩器振蕩幅度的變化對(duì)共振信號(hào)幅度、頻率以及旋磁比測(cè)量的影響。由測(cè)量、作圖、計(jì)算、分析可得：振蕩器振蕩幅度對(duì)共振信號(hào)的幅度、頻率及旋磁比測(cè)量都有影響，且對(duì)不同樣品影響規(guī)律不同，具體操作中，需要根據(jù)待測(cè)樣品來(lái)選擇振蕩器的最佳振蕩幅度。