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tcxuefeng读书笔记——NMR信号的检测

核磁共振技术(NMR)

  •     对于1/2核,密度矩阵不管怎么变,其自旋状态最终都是由ρα,ρβ,ρ+,ρ-四项所描述。然而在核磁信号采集过程中,我们所看到的谱图实际上仅仅是由ρ-所贡献。进一步推导表明,在现有的检测方式下,即使是之后提到的更为复杂的多自旋相互影响下的密度矩阵,我们所采集到得核磁信号仅仅是密度矩阵的-1量子相干项。即

        这一性质用图来描述即

        假设将开始采集信号的时间点定为0时刻,ρ-(0)为初始时刻的ρ-,则在整个信号采集时间t中,-1量子相干变化如下

        代入第一个方程得到FID信号方程为

        上述方程可以简化为如下形式

        其中

        注意,这正是我们之前在推导傅里叶变换时所给出的FID信号的方程!这里我们给出了它的来源。之后,大家可以参照我前面http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20120812/4188665/ 这一帖子,得到

        而

        于是我们便在谱图上看到了我们日常所接触的一维核磁信号!
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  • tcxuefeng

    第1楼2012/09/01

    下面我以一个实际例子来说明这一检测过程。假设某一1/2自旋系综由平衡态经过(π/2)x脉冲照射后立即开始采集信号。事实上,这正是最简单HNMR的核磁脉冲


    其中D1是脉冲激发前的等待时间,目的是为了使系统回复(或者部分回复)平衡状态;中间一个凸起的红色线段为激发脉冲,由于这是zg30,因此用的是30度小角度激发,不过为了讨论简单,我们下面是以90度x脉冲为例;绿色的fid形式的图标表示信号采集。我们所关注的正是信号采集时刻系统的变化。
    这一过程如下,首先平衡态的自旋系统经过脉冲激发


    此时的ρ(0)可以表示如下

    这一表示实际上等同于密度算符的矩阵表示。其中I α,Iβ前的系数为对角元,而I+,I-前的系数为非对角元。由于核磁仅能观测到-1量子相干,即

    我们得到

    经过傅里叶转换,我们得到了某一信号的相对频率
        其中

        而得到了如下谱图

        上图为我们通常见到的谱图实数部分,而下图的虚数部分我们通常不作为核磁谱图表示。    而如果激发用到的是(π/2)y脉冲,则这一过程如下

        由于此时

        则此时的振幅a为虚数

        此时的L线性实数项和虚数项互换(大家感兴趣可以自行推导),从而得到下图

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