核磁共振如何探测分子结构?张朝阳解读核磁共振原理


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辅以图像化的表达方式,张朝阳首先讨论了自旋在单个恒定磁场下的拉莫进动现象,以及再加入恒定扰动磁场下的拉比振荡现象。紧接着,他分析了一个方向在xy平面上匀速旋转的扰动磁场对自旋的作用。通过巧妙地”坐标系变化“,张朝阳获得了含时薛定谔方程的解,发现此时扰动磁场旋转的角速度和恒定磁场的拉莫频率之间会发生共振。共振(ω=ω0)时,在“旋转坐标系”下与自旋对应的单位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫进动,认为B0消失了。在它的视角,它仅绕横向(Transverse)磁场B1进动,此时上下态概率振幅相等。

而在不严格共振(ω接近ω0但不相等)时,自旋“感受到”的磁场是横向磁场B1,一个强度很弱,方向沿z轴正方向的等效磁场之和,自旋对应的单位矢量将绕着这个和磁场所代表的矢量做进动,即,可以理解为是B1在微微抬头。

此后,张朝阳进一步讨论了如何在实践中利用这个理论计算得到的共振现象。事实上,它即是现代核磁共振计算的理论基础。张朝阳解读道,在利用核磁共振探测时,需要首先将样品放置在一个1.5T甚至3T的磁场中,使得样品中氢核的自旋达到热平衡。此后,再对样品世家一个频率在无线电频率范围内的圆磁场脉冲,使得氢核地自旋将被极大地翻转。

在撤去磁场后,由于氢核自旋在xy平面上的不同取向之间不具有能量差,于是它们很快地弛豫到平衡态,这个过程被称为退相位化(Dephasing)过程,它的时间是系统的参数,称为弛豫时间(Relaxation time)T2。在弛豫时间内,由于电子云的屏蔽效应将削弱氢核所感知到的磁场强度,不同位置的氢质子有着微微不同的拉莫频率ω~0~,进而如果对横向线圈里的动生电动势曲线作傅里叶分析,可以预期能看到多个分布在不同频率处、强度不等的谱峰。进一步如果邻近处存在多个氢核,对应频率的谱峰会发生劈裂。总而言之,核磁共振频谱的谱峰偏移、强度和劈裂,正对应着有机物的结构分布,可以作为精细探针帮助我们“看到”有机物的具体化学结构。

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