核磁共振成像 报告人：陈景莉、周兴 材料科学系 材料物理

实验原理 原子核自旋→自旋磁矩→核磁 自然状态：无磁性→放入外场：宏观磁化矢量

实验原理 射频场→核磁共振

实验原理 撤去脉冲→弛豫

实验原理 撤去脉冲→弛豫

实验参数

实验参数 90°脉冲重复时间 D1 3000 峰间距变宽 重复时间变长，延迟时间变长，间距变宽 180°脉冲重复时间 D2 6000 脉冲序列重复时间 D0 1000 —— 3T1-5T1 采样点数 TD 4096 峰间距变窄 采样点数增大，实际采样点数增大，宽度不变，测得图像压缩 谱宽 SW 5 采样时间=TD/SW，谱宽增大，采样时间减小，实际采样点数减小，宽度不变，测得图像拉伸 截止频率 DFW 30 Lamor，射频 SF1 23 O1 182.512 增益 RG 2 峰变高 累计次数 NS 减小信噪比 180°脉冲个数 C1 200 峰宽度不变，峰变多 产生回波个数 过采样倍数 DS 10 实际采样点数=TD×DS

选做实验 实验方向 信心太大，知识不足，低估实验难度； 必做、选做相结合； 时间安排：12月18日，摸索调节参数，做出比较满 意的成像实验；阅读文献，细化实验思路； 12月25日，购置样品，实验中出现问题； 1月1日，重头再来。

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 实验思路 参照李彦，刘青，蹇华丽，等. 葡萄酒的低场核磁共振弛豫谱 [J]. 中山大学学报，2012(9)：45-49. 测量不同的中国药补酒样 品的纵向弛豫时间。 1.好玩的实验，核磁共振在食品工程中的应用； T2谱中弛豫时间较长的谱峰反映了酒精的含量，且其峰面 积占比随酒精体积质量分数变化呈线性递增关系 2.必做实验只测了T2，利用选做的机会测T1。

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 实验样品 1. 中国劲酒（35%vol） 2. 桂花酒（10%vol） 3. 三鞭酒（30%vol）

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 实验难处 1. 纵向弛豫时间T1需在确切的拉莫尔频率下测量，不 像横向弛豫时间T2，是在稍偏离拉莫尔频率处测量。 →侧准拉莫尔频率 2. 测量每一个T1需要改变D1值，测12组数据，再进 行拟合。5个样品，重复3次测量，共需测180组，理 论花费时间240min。 →怪不得必做实验只要求测T2

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 T1测量失败 看到山有虎， 没有俞老师，虎山我不行。

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 测量T2 文献里是这样的 可我们做出来是这样的

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 Debugging 无法得到e指数衰减的T2图像，原因可能有： 1.仪器问题

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 2.样品问题 是否只有油能获得e指数衰减图像，而乙醇不能获得？ 油 乙醇

中国传统药补酒的低场核磁共振实验 在横向衰减图像与理论不相符的情况下，我们测到了 5组样品的T2： 一样的操作，却无法重复文献的结果，问题是在仪器 上，还是在样品上？

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 2015年1月1日 更换使用343室西北角的仪器； 控制变量，排除干扰，使用不同质量分数的乙醇-水 溶液作为测试样品。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 实验仪器 NMI20-Analyst核磁共振成像分析仪，主磁场为 0. 53T，上海纽迈电子科技有限公司； 其他器材有色谱瓶、量筒、烧杯、胶头滴管等。 实验原料： 无水乙醇分析纯乙醇，上海振兴化工一厂； 蒸馏水，市售屈臣氏蒸馏水。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 实验步骤 1. 通过换算配置出不同质量分数的乙醇-水溶液，加 入色谱瓶中各1.5ml； 2. 把色谱瓶放入核磁共振成像分析仪专用的平底试管 中，放入射频线圈中心； 3. 利用FID信号调节拉莫尔共振频率和脉冲宽度，进 行CPMG脉冲序列扫描实验，测得样品的自旋回波信 号横向弛豫时间T2。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 实验结果 1. 不同质量分数的乙醇-水溶液的拉莫尔频率有微小 差异

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 2. 横向弛豫时间T2随乙醇质量分数W的变化关系 参照白怀勇，周格，王殿生. 不同质量分数乙醇-水溶液核磁 共振实验研究[J]. 实验技术与管理，2013(8)：39-42.

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 由右图可知，横向弛豫时间 随乙醇质量分数的增加呈现 先减小后增大的变化规律。 当乙醇溶液质量分数在 0~30%时，T2随乙醇溶液 质量分数增大而迅速减小， 从1395ms变化到544ms； 当质量分数在30~80%时，乙醇溶液质量分数增加， T2变化不大，且出现最低点，约在60%处； 当乙醇溶液质量分数在80~100%时，T2随乙醇溶液 质量分数增加而增加。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 横向弛豫源于自旋一自旋之间的相互作用→磁相互作用 →液体：核自旋产生的局部磁场； 分子间束缚作用强，布朗 运动弱→对核自旋产生的 局部磁场的抵消作用小→ 横向弛豫时间小； 分子间束缚作用强，各核 之间的相对位置较固定→能量易于在核自旋间转移→横 向弛豫时间小。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 在乙醇-水溶液体系中，强氢键缔合O-H···O占主导作 用。 当乙醇的质量分数约为60%时，乙醇溶液出现最强氢 键缔合状态，即氢键的整体作用力达至最大，乙醇溶 液的横向弛豫时间就降至最低。 该结果与前人的研究结果基本一致。

Coccia A, Indovina P L, Podo F Coccia A, Indovina P L, Podo F. PMR studies on the structures of water-ethyl alcohol mixtures 1975年，Coccia对乙醇一水体系的H NMR谱研究发 现在乙醇质量分数0~8%内，少量的乙醇能促进水分 子间缔合强度的增强； 8~20%，随乙醇质量分数的增大，水分子簇的氢键 缔合强度增强，同时乙醇疏水烷基数目的增多逐渐阻 碍水分子形成三维氢键网络结构； 20~80%，随乙醇质量分数的增大，水的氢键缔合强 度减弱，而乙醇一水的氢键缔合强度增强； 80~99.7%，水分子失去自己的氢键网络结构，并通 过氢键把乙醇分子桥连成链式或环式结构。

Tanaka Y, Matsuda Y, Fujiwara H, et al Tanaka Y, Matsuda Y, Fujiwara H, et al. Viscosity of (Water +Alcohol) mixtures under high pressure 1987年，Tanaka等发现乙醇一水体系的黏度随乙醇质 量分数的增大，先增大后减小，存在一个最大值。 这是因为当少量的乙醇加入到水中时，醇羟基与水分 子形成氢键，乙醇的疏水碳链促使水分子在其周围紧 密排列，氢键缔合强度增强，因而体系的黏度迅速增 大； 当乙醇的质量分数逐渐增大时，体系中溶质一溶剂间 的相互作用逐渐增强削弱了体系中原有的氢键缔合结 构，使得体系的黏度逐渐减小。 体系的黏度达到极值是以上两过程相互竞争的结果。

仝建波，刘淑玲，芦飞，等.醇水缔合光谱行为的研究 取一定量不同质量分数的乙醇溶液，置于1 cm的比色 杯中，在紫外一可见分光光度计上，以空气为参比， 测定各样品在880-1070 nm间的吸收光谱。测得乙 醇一水溶液的体积收缩量与乙醇体积质量分数的关系 ：溶液的体积收缩量先增大后减小，当乙醇质量分数 达约60 % 时，体积的收缩量最大。 在氢键的作用下，乙醇和水会形成新的缔合结构。当 乙醇质量分数在60 % 时，形成了一种稳定环状三聚 体缔合结构。

不同质量分数乙醇-水溶液核磁共振实验 在乙醇-水溶液体系中，强氢键缔合O-H···O占主导作 用。 当乙醇的质量分数约为60%时，乙醇溶液出现最强氢 键缔合状态，即氢键的整体作用力达至最大，乙醇溶 液的横向弛豫时间就降至最低。 该结果与前人的研究结果基本一致。

误差分析 样品溶液质量分数不准确 虽然用了蒸馏水，但旧试管内的杂质和用量筒和滴管 来配置溶液精度不够高

参考文献 Coccia A, Indovina P L, Podo F. PMR studies on the structures of water-ethyl alcohol mixtures[J]. Chemical Physics, 1975, 7 : 30-40. Tanaka Y, Matsuda Y, Fujiwara H, et al. Viscosity of (Water +Alcohol) mixtures under high pressure[J]. International Journal of Thermophysics, 1987, 8(2):147-163. 仝建波，刘淑玲，芦飞，等.醇水缔合光谱行为的研究 [J].酿酒科技，2004(3) : 83-84. 曾新安，杨星. 不同质量分数下乙醇- 水溶液的缔合状 态[J].华南理工大学学报，2010(12)：120-123.

误差分析

误差分析

误差分析 信号强度——质量分数 T2——质量分数  

参考文献 李彦，刘青，蹇华丽，等. 葡萄酒的低场核磁共振弛 豫谱[J]. 中山大学学报，2012(9)：45-49.

实验感想 这学期课堂上所学的知识，正是前人用来做实验解决 我们的疑问的方法； 虽然费劲周折测出乙醇质量分数与横向弛豫时间T2之 间的关系，但与酒精比重计相比，并不是一种简便的 测酒精质量分数方法:( →除了内心小欣喜外，做这些实验有什么用？

感谢 谢谢实验搭档，在不会的时候总有会的你，在不懂的 时候总有懂的你； 谢谢“和蔼型”姚红英老师、“潇洒型”俞熹老师和 “严肃型”乐永康老师，没有你们那神奇的手，就无 法完成这学期的实验；