核磁共振检测及其局限性

在恒定磁场中具有角动量和磁矩的原子核受交变磁场激励时在激励角频率等于质子进动角频率的情况下所进入的共振状态称为核磁共振。核磁共振技术是由珀赛尔在美国哈佛和他的合作者于1946年发展起来的。同时，布洛赫在美国斯坦福和他的合作者也独立发展了一个类似的方法，两人由此而获诺贝尔奖。

物质由原子组成，每个原子具有原子核和轨道电子，含有奇数质子或中子或此两者的核表现有一净自旋和一不对称的电荷分布，故具有角动量（L_p）和核的磁偶极子矩（磁矩）。在无外磁场时，核自旋是随机取向的，但将其置于磁场强度为B的恒定强磁体两极之间时，自旋的核可沿两个可能的方向排列：①平行于外磁场；②逆平行于外磁场。这两种取向并不具有相同的能级（前者能级较低），也不等量出现，而且自旋轴也并不与外磁场准确对准而是倾斜一角度（θ）。这时，磁偶极子开始绕外磁场的方向进动，进动的频率ω_N=μB/L_p=γ_NB，这里γ_N为核的磁旋比，是每一原子核类的基本物理参数。这情况与转动着的陀螺相似，在偏斜状态时，重力的作用有使其轴线倾斜更大的倾向，但由于旋转效应轴线将向垂直方向偏转，陀螺将不倒下而沿一侧面运动（进动），如图5.6-1所示。

图5.6-1 磁矩相对于外磁场的倾斜

图5.6-2 核磁共振裝置示意图

将试样放在小线圈中再放在恒定强磁体两极之间（见图5.6-2），小线圈用射频振荡器激励且使这很小的交变磁场B_f与B正交，两者矢量相加所得合成磁场其强度和方向在两极限值之间来回摆动，如果调整交变磁场的角频率ω_f使等于进动角频率ω_N，则此作周期运动的系统可进入共振状态是为核磁共振，这种用经典唯象描述的共振条件与量子力学描述的结果完全相同，进动着的质子可吸收能量，能量的增加意味着图5.6-1a中θ角的减小。如果交变磁场被去除，被吸收的能量将在一时间范围内被耗散，核就又回到低能级。这个恢复过程称为自旋点阵弛豫，表示恢复快慢的时间常数称为自旋点阵弛豫时间，而这种能量的相对幅度和某个时间的衰变参量是可用专门电子学技术检测出来的，常用核磁共振谱仪来进行。可提供有关被检物质物理和化学情况的大量信息。

直接检测不成对电子磁矩与外磁场的相互作用是为电子自旋共振谱分析技术，对于在一系统中由于化学变化所引起的游离基的出现，它是敏感的。

核磁共振检测的主要应用有：①物质微观结构状态和性能的研究，如分子的结构、结晶或非结晶固体中分子的排列；②无损的化学分析，不消耗试样，相当小的试样即可；③质量无损检测，如木材中水分含量、混凝土中水泥水合过程的监视、铝腐蚀产物的表征及碳/树脂复合材料热损伤的检测等，用碳-13（¹³C）核磁共振作为聚合物的主要成分微观组织、活性官能团分布及夹杂物出现的验收；④金属、非金属材料中扩散行为的研究，如活化能、活化体形成、肖脱基缺陷对形成等。(www.xing528.com)

图5.6-3为铝-27（²⁷Al）腐蚀产物的表征，可见铝和铝腐蚀产物化学成分上的差异导致：①核磁共振频率不同；②自旋点阵弛豫时间不同；③信号形状不同。这些均可用以探测铝腐蚀的出现。表5.6-1为经热损伤和未经热损伤碳/树脂复合材料的基本核磁共振常数。

图5.6-3 含铝氧化物的铝-27（²⁷Al）试样核磁共振谱（场强=2.0T）FWHM：最大波高一半处的宽度

表5.6-1 在85MHz下经热损伤和未经热损伤碳/树脂复合材料的基本核磁共振常数

注：T₁—自旋点阵弛豫时间；

T₂—衰减到原来的1/e时的时间。

核磁共振检测的局限性有：①多限于非金属材料、金属粉末；②高级的设备是笨重和高价的；③对其他设备可能需要磁屏蔽。