振荡幅度对核磁共振信号影响的实验研究
2022-01-11刘竹琴薛昭敏何香林
刘竹琴，薛昭敏，何香林
(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)
核磁共振是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象，自发现至今，已有七十多年的历史。核磁共振实验是近代物理实验中具有代表性的重要实验。核磁共振理论已成为一种探索物质的微观结构和性质的分析手段，是生命科学和医学领域中最重要的分析、诊断工具。目前文献[1-6]对核磁共振理论应用的研究较多，但对测量结果影响因素的探讨较少。为此，本文用实验的方法研究了核磁共振振荡器振荡幅度对共振信号幅度、频率以及旋磁比测量的影响。
1 核磁共振理论基础
(1)
式中γ为旋磁比，e为电子电量，mp为质子质量，gN为朗德因子。
原子核角动量的大小为
(2)
PB=m·ћ，
(3)
式中m称为磁量子数，可以取
m=I,I-1，…，-(I-1)，-I。
μB=gNμNm，
(4)
式中μN=5.050 787×10-27JT-1称为核磁子，是核磁矩的单位。
△E=Em1-Em2=-gN·μN·B·(m1-m2)。
(5)
△E=gN·μN·B。
(6)
hυ0=gNμNB0，
(7)
(8)
2 实验测量与数据分析
2.1 测量装置
测量装置如图1所示，是由匀强磁场组件、边限振荡器、信号检测器、频率计及示波器等组成。
图1 核磁共振实验装置示意图
2.2 测量方法
1)分别配制浓度为0.01 g/mL的硫酸铜(CuSO4)、三氯化铁(FeCl3)、氯化锰(MnCl2)、丙三>醇(C3H8O3)水溶液。
2)开启电源，将装有硫酸铜样品的试管放入试剂探头插孔内，使样品处于磁场的中心位置。调节振荡器振荡幅度的大小为0.050 V，此时调节振荡线圈频率的粗调旋钮，仔细调节，当观察到有共振信号出现时，再改调细调旋钮，直到显示的共振信号三峰等间隔为止，记录共振信号频率和共振信号幅度。依次改变振荡器振荡幅度为0.100 V、0.150 V、0.200 V、0.250 V、0.300 V，按上述方法分别调节共振信号，记录相应的共振频率和共振信号幅度。
3)更换待测样品分别为三氯化铁、氯化锰、丙三醇、纯水，重复上述操作，记录共振信号频率和共振信号幅度。
2.3 测量数据
1)用YK-450A数字特斯拉计测量样品所在处的磁场为B0=0.516 8 T。
2)硫酸铜、三氯化铁、氯化锰、丙三醇的水溶液及纯水的核磁共振信号幅度、频率测量数据分别见表1、表2、表3、表4和表5。
2.4 数据处理与分析
1)根据表1至表5的测量数据，作共振信号幅度与振荡器振荡幅度关系图，如图2所示。从图2可直观地看出：测量H核的五种水溶液共振信号幅度从大到小依次是三氯化铁—硫酸铜—丙三醇—氯化锰—纯水；五种水溶液共振信号幅度随着振荡幅度的变化各不相同，其中三氯化铁、氯化锰共振信号幅度随振荡幅度的增大而增大，硫酸铜、丙三醇、纯水共振信号幅度随振荡幅度的增大而减小。
表1 硫酸铜水溶液共振信号与振荡器振荡幅度变化关系表
表2 三氯化铁水溶液共振信号与振荡器振荡幅度变化关系表
表3 氯化锰水溶液共振信号与振荡器振荡幅度变化关系表
表4 丙三醇水溶液共振信号与振荡器振荡幅度变化关系表
表5 纯水共振信号与振荡器振荡幅度变化关系表
图2 共振信号幅度与振荡器振荡幅度关系图
2)根据表1至表5的测量数据，作共振信号频率与振荡器振荡幅度关系图，如图3所示。
图3 共振信号频率与振荡器振荡幅度关系图
从图3可直观地看出：测量H核的五种水溶液共振信号频率从大到小几乎依次是纯水—硫酸铜—三氯化铁—氯化锰—丙三醇；五种水溶液共振信号频率随振荡幅度的增大而减小。分析1)和2)可得：实验样品的最佳振荡幅度，见表6。
表6 部分样品最佳振荡幅度范围
3)计算H核的旋磁比γ
由表1至表5的测量数据，根据(8)式计算五种水溶液在不同振荡幅度下的H核旋磁比γ，计算结果见表1至表5。关于g因子和核磁矩μ在此不再计算。
已知H核旋磁比的理论值为γ0=267.52 MHz/T，将实验测量值与理论值相比计算其相对误差，计算结果见表1至表5，由计算结果可知，振荡器振荡幅度对测量结果具有一定影响，但其相对误差均远远小于5%。
3 结束语
本文探讨了核磁共振实验中振荡器振荡幅度的变化对共振信号幅度、频率以及旋磁比测量的影响。由测量、作图、计算、分析可得：振荡器振荡幅度对共振信号的幅度、频率及旋磁比测量都有影响，且对不同样品影响规律不同，具体操作中，需要根据待测样品来选择振荡器的最佳振荡幅度。
