（无线电物理专业论文）分子间多量子相干性质研究及其mri应用.pdf

作者姓名：张盛春 论文题目：分子问多量子相干信号性质研究及其m r i 应用 作者简介：张盛春，男，1 9 8 0 年3 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于厦门 大学陈忠教授，于年月获得博士学位。 中文摘要 分子间多量子相干( i n t e m o l e c u l a rm u l t i p l eq u a n t u mc o h e r e n c e ，i m q c ) 是当前核 磁共振领域的热点话题之一。本论文研究了分子间多量子相干信号性质，对i m q c 理论进行了扩展，并将其应用于磁共振成像。主要成果如下： 一、本论文研究了化学交换体系的分子间多量子相干表观纵向弛豫行为，采用 本小组提出的“量子经典”方法推导出其理论表达式。结果表明，在远程偶极场 调制作用下，交换体系的纵向弛豫行为表现出与正常纵向弛豫行为不同的多指数特 征；将分子间多量子相干技术与化学交换饱和转移效应相结合能够获得更好的成像 对比度。 二、本论文将分子间二量子相干技术应用于当前较为热门的的一种成像机制一 化学交换饱和转移( c e s t ) 上，用以增强其对比度。理论和实验结果均表明，相对于 常规的单量子信号，分子间多量子相干信号对体系磁化量的变化更为敏感，因此应 用于c e s t 类型的成像实验能获得更好的对比度。论文同时指出，虽然采用分子间 多量子相干技术能够增强图像的对比度，但是相对常规单量子信号而言，其内在的 低信噪比决定了该技术在实际应用中的局限性，如何提高信噪比仍是分子间多量子 相干领域的一个重要课题。 三、本论文对影响分子间多量子相干信号强度的因素进行了归纳、分析，指出 了提高分子间多量子相干信号信噪比的可能的途径。论文还系统研究、分析了 c r a z e d 序列中信号强度随相干选择梯度场变化的情况。结果表明，在卜使片j 相干 选择梯度场的情况下获得的分子间二量子相干信号比使用相干选择梯度场得到的信 号强得多。 关键词：核磁共振；化学交换；分子间多量子相干 t h ei n v e s t i g a t i o no ft h es i g n a lp r o p e r t i e so fi n t e r m o l e c u l a r m u l t i p l e q u a n t u mc o h e r e n c e sa n dc o r r e s p o n d i n gm r i a p p i i c a t i o n s s h e n g c h u nz h a n g ab s t r a c t i n t e r n l o l e c u l a rm u l t i p l e - q u a n t u mc o h e r e n c e ( i m q c ) p h e n o m e n o ni sah o tt o p i ci nt h e 卜m if i e l d 1 1 1t h i st h e s i s ，t h ep r o p en i e so fi m q cs i 印a l sa n dt h e i ra p p l i c 撕0 n sa r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t se x t e n dt h ep r e v i o u si m q ct h e 0 秽a n di t sa p p l i c a t i o n s ，a n da r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ea p p a r e n tl o n g i t i l d i n a lr e l a x a t i o nb e h a v i o ro fi m q ci nt h es l o wc h e n l i c a le x c h a n g e s y s t e mw a si n v e s t i g a t e d a n a l y t i c a ie x p r e s s i o n s 、e r ed e r i v e df 而mac o m b i n a t i o no f t h ed i p o l a rf i e l dt h e o 巧a n dp r o d u c to p e r a t o rf o m a l i sm t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s i g n a li n t e n s i t yi sam u l t i - e x p o n e n t i a lf h n c t i o no ft h er e l a x a t i o nr e c o v e d ，t i m e t h e c o m b i n a t i o no ft h ei m q ct e c h n i q u ea n dt h ec h e m i c a le x c h a n g ed e p e n d e n ts a t u r 撕o n t r a n s f e r ( c e s t ) 、v i l le n h 锄c et h em 砌c o n t r a s t 2 i n t e 朋o l e c u l a rd o u b l e q u a n t u mc o h e r e n c e ( i d q c ) 、v 嬲u t i l i z e dt oe n h 锄c en l ec e s t m i uc o n 仃a s b o t ht h e o r e t i c 面a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t em a tc o m p a r e dt 0 t h ec o n v e n t i o n a ls i n g l e q u a n t l j mc o h e r e n c es i g n a l ，i m q cs i 印a li sm o f es e n s i t i v et 0 t h ec h a n g eo ft h em a g n e t i z a t i o nm a g n i t u d e ，t h u si ti se a s i e rt 0o b t a i nab e t t e rc o n 仃a s t i nt h ec e s t - l i k ee x p e m e n t s h o w e v e r ，a l t h o u 曲t h ei m q ct e c h n i q u ec a nb eu s e dt o i m p r o v et h em r ic o n t r a s t ，i t si n t r i n s i cl o ws i g n a l t 0 - n o i s er a t i o ( s n r ) l i m i t si t s a p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h es n ro fi m q cs i 印a li ss t i l la ni m p o n a n t t o p i ci ni m q cf i e l d 3 t h ef 犯t o r si n f l u e n c i n gt h ei m q cs i g n a li n t e n s i 够w e r ea n a l y z e d ，a n dt h ep o s s i b l e w a y st oe n h a n c et h es n ro fi m q cs i g n a lw e r ed i s c u s s ed | i na d d i t i o n ，t h ep r o p e n i e s o ft h es i g n a l sf r o mt h ec r a z e d - l i k es e q u e n c e sw e r ei n v e s t i g a t e d 、v i t ht h es t r e n g t ho f t h ec o h e r e n c es e l e c t i o ng r a d i e n t s ( c s ( 弧) r a n g i n gf 两mz e r 0t oal a 玛ev a i u e t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tm ei n t e n s i 够o fm es i 驴a lo b t a i n e d 澌t h o u tc s g si sm u c h s t r o n g e rt h a i lt h ei n t e n s i 够o ft h es 咖a lo b t a i n e d 、v i t hc s g s k e yw o r d s ：n u c l e a rm a 印e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) ；c h e m i c a le x c h a n g e ；i n t e r m o l e c u l a r m u l t i p l e q u a n t u mc o h e r e n c e 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成粟，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：诒整去 2 亨年f2 ，月苫日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：张蓝毒 撕辟7 明苫日 第一章绪论 1 1 高极化体系下的多自旋回波现象 1 9 4 5 年斯坦福大学的b l o c h 小组和哈佛大学的p u r c e l l 小组分别用不同的样品( 水 和石蜡) 、不同的方法( 双线圈感应法和单线圈吸收法) 发现核磁共振现象【l ，2 l 。在此 后的半个多世纪里，核磁共振获得了飞速的发展，展现出极大的生命力和广阔的应 用前景，成为物理学p ，4 1 、化学0 5 ，6 1 、生物、医药 1 、及石油工业l l o ，1 1 1 等领域科学家最 广泛使用且最有力的谱学工具之一，迄今为止共获得5 次的诺贝尔奖。n m r 能取得 如此令人瞩目的成就，主要基于两方面的原因。首先是卜m 偶软、硬件技术已非常成 熟：早在半个世纪以前，经过第二次世界大战的洗礼，射频技术获得了突破性的进 展，从而使得发展复杂的射频脉冲序列成为可能：傅立叶变换技术的建立极大地促 进了l 、m 偶谱学的发展和应用。另一方面，也是更重要的方面，有关n m r 的理论模 型已非常完善，甚至在十几年前，人们就可以对包含上千个脉冲和延时的脉冲序列 进行理论分析，由于核自旋态问的跃迁事实上独立于分子的其它能量态，一个自旋 体系对序列中射频脉冲、延迟和梯度的响应可以被以非常高的精度预测出来。至今， 除了卜小偶，还没有哪种现代谱学有如此强有力的理论基础。 二维n m r 的提出和发展【1 2 j ，为n m r 技术的研究和应用提供了更为广阔的空间。 在二维n m r 谱中，自旋体系在演化期f ，内自由演化，检测期内磁化矢量受到了演化 期相位的调制，因此相对一维谱而言，它具有更多的信息量。它的一个重要应 用是能够检测某些不能直接观测到的高阶跃迁。根据选择定则，只有量子数变化为 朋= l 的跃迁才能够被直接观测到，而对砌1 的高阶跃迁，即多量子相干 ( m u l t i p l eq u a n t u mc o h e r e n c e ，m q c ) ，则不能被直接检测，但它们可以被转化成单量 子相干来间接观察。一个正常的多量子相干实验中至少需要三个脉冲，即前两个脉 冲产生多量子相干，第三个脉冲将其转化为可观测单量子信号。 但是，在9 0 年代初期，在高极化( 高浓度) 核自旋体系( 如最简单的水样品) 中却出 现了一些用常规n m r 理论无法解释的实验现象。1 9 9 0 年，美国p r i n c e t o n 大学的 w 甜r e n 研究小组【1 3 1 首先在5 0 0 m 谱仪上采用 厦门大学理学博士学位论文 ( 三 ，一f 一( 詈) 一，一 一( 三) ，一，： 三脉冲序列对8 0 h 2 0 + 2 0 d 2 0 样品做二维谱实验时，间接维( ，1 ) 出现多量子 相干( m u l t i p l e - q u a n t u mc o h e r e n c e s ，m q c ) 信号，如图1 1 所示。当f 珀( 为辐射 阻尼时间) 时，信号甚至强到可以观察到第3 量子阶的信号。而当丁 或使探头失 谐，这些多量子信号消失。在排除相位循环不理想和弛豫不完全等会导致二维实验 假峰的因素后，w 撕e n 等认为强的磁化与检测线圈的祸合扮演了常规多量子实验中 分子间耦合的角色，也就是辐射阻尼导致了在单组分非祸合体系中多量子相干信号 的产生。 图1 1 用三脉冲序列或二脉冲序列获得h 2 0 样品的二 维谱及其沿巧维的投影谱。注意：在间接检测维出现了 m q c 信号。( 根据文献l1 3 l 重制) 不久之后，a b e 玛e l 等对w 撕e n 的实验提出了不同的看法l ，他们发现采用简单 的类似c o s y 的二脉冲序列 ( 讣。协， ( 1 2 ) 对水这样简单的样品在间接维也可产生、a r r e n 所说的等间距的一系列谐波峰。 a b e 唱e l 等从量子场理论出发证明量子场或者辐射阻尼不是产生这些谐波信号的原 2 第章绪论 闪。斯e n 在随后的回复中认为这些蜡波信号应该坯是多量子捌十信号，原囡足 采用多种选择多量r 相下阶数的脉冲序列( 包括脉冲梯度场方法1 都证明这些谐波信 号符合相t 转移路释的选择规律，虽然币能片j 绎典的辐射阻尼州论柬解释。w a h e n 在回文的最后有保留地写道，排除辐射阻尼因秉厉，产生多量了相_ r _ 的机制还有待 于进一步的考察。 6胃 瞳 石f 蜀 蓼r 言t 器飞f 写胃 盼! 雉 图1 2 苯和氯仿在取量子c r a z e d 脉冲序列作用下 产生的交叉峰。( 根据文献1 1 7 l 重制) 1 9 9 3 年、v a r r e n 研究小组采用有梯度场参与的脉冲序列c r a z e d ( c o s v r e v a p e d t ha s y m m e t n cz g r a 出e 1 1 te c h od 甜c c t l o n ，不对称z 方向梯度场改装的 c o s y 回波检测) 脉冲序列，对8 0 h ：0 + 2 0 d 2 0 样品做二维带实验时再次在问 接检测维发现很强的信号峰，这“! 峰根据脉冲前后梯度场对的旧钗比的i i 同，出现 在1 ；l 司的位置，而日具有所有多量了相t 的特性。所有这些实验啦豫均与传统的n m r 弹沧矛盾。根摊传统的n m r 圳l ”，仅有h 2 0 分予的样品址小叫能产e 多带r 柑 干何呼的，困为h 2 0 分子只包含种磁等价核，没有与其它融州核垃乍标量偶台， 因此在静磷场f h 可能会裂分成两个能级，也就是说只存存种能级跃迁。另一玎 而，二二个脉冲的序列也不可能跏察刮多量r 相_ _ f 二信号，阿为要j “生多量r 相f ，毛 厦门大学理学博士学位论文 少要有三个脉冲( 即用两个脉冲产生多量子相干，再用一个脉冲把不可观测的多量子 相干转变为可观测的单量子相干) 。w a r r e n 之所以特地将该脉冲序列称为“疯狂的” ( c 凡忆e d ) ，很大一部分原因在于：“对于有经验的n m r 谱学来说，这种现象是不 可思议了，如果以传统偶理论来解释是会令人发疯的。因为根据标准密度矩阵理 论，c o s y 脉冲序列不可能在演化期产生双量子相干，c 黜忆e d 脉冲序列得到的该 是空白一片的。”更奇怪的是，对于多组分体系，c r a z e d 脉冲序列还会在溶剂与溶 质不同分子之间( 如苯和氯仿) 产生交叉峰，如图1 2 所示。交叉峰出现在两种分子频 率相加的位置，不可置否地属于分子间多量子相干( i n t e r m o i e c u l a rm u l t i p l e q u a n t u m c o h e r e n c e s ，i m q c ) 的信号。w a r r e n 等还详细分析了交叉峰的强度与分子间距离、梯 度场强度的关系，预言这种发现可以应用于磁共振成像，用来判定分子间距离的大 小。 w a n e n 小组首先注意到c & 忆e d 二维谱上的这些额外共振峰与d e v i l l e 等人发 现的的多自旋回波现象( m u l t i p i es p i ne c h o e s ，m s e ) 1 7 1 是有关的。所谓的多自旋回波 现象即在连续的梯度场作用下，二脉冲序列 ( 哥r 慑，一， ( 1 3 ) 不仅在r 时刻产生常规的h a h n 自旋回波，而且在2 r 、3 r 等时刻也将产生额外的回波。 这些额外的回波可以通过偶极退磁场( d i p o i a rd e m a g n e t i z i n gf i e l d ，d d f ) 理论来解释。 偶极退磁场b d 是核自旋之间存在直接的偶极相互作用的结果。包含偶极退磁场b d 的 偶极b l o c h 方程具有非线性特性，这种非线性特性意味着传统的密度矩阵理论要做彻 底的修改，但它能够用于预测在间接检测维出现的额外共振峰，并与c r a z e d 脉冲 序列实验在数量上吻合，然而这种理论预测与更复杂的脉冲序列的实验结果不符， 为此，w a r r e n 等对偶极退磁场理论作了进一步的研究，考虑了残留磁化的影响，从 而获得了满意的结果。 在文献【1 8 】中，w a r r e n 等更是采用完全不同的方法来解释这些来自分子间多量子 相干的额外共振峰和交叉峰，这就是著名的、同时也是备受争议的“纯量子”的分 子间多量子相干( i m q c ) 理论。相对而言，前述的偶极退磁场理论即为经典理论。在 4 第一章绪论 i m q c 理论中，不是放弃常规n m r 运动方程内在的线性特性，而是从密度矩阵出发， 通过保留哈密顿中的远程核自旋之间的偶极耦合来说明密度矩阵的演化，同时抛弃 传统n m r 理论中的另一个基本假设高温近似假设( 丝= 加鼠 1 时，若不考虑偶极退磁场的作用，则信号的理论强度为0 ；而在考虑偶极退磁 场作用后，其信号强度的最大值并不立即出现在梯度场作用后，而是从零慢慢增长 到最大值，然后在慢慢衰减，其变化规律与刀= 1 时的常规f i d 信号的由最大值衰减 到零有很大不同，反而类似不均匀场下的自旋回波。这也反映了偶极耦合作用在检 测期将双自旋单量子算符( 如，。，。，) 转化成可观测的单自旋单量子算符的过程。 从图中还可看到，随着量子数，增加，多量子相干信号的最大值是逐渐减少的，但 这种减少非常缓慢，即使船达到1 0 ，其信号最大值也达到门= l 时信号最大值的一半 左右。当然，这是仅仅考虑偶极退磁场条件的情况，若考虑了演化期和检测期的弛 豫和扩散效应，则信号的衰减将大大加快。 0 6 o 4 享眈 + 警 o 0艇) 一； = ，一i 一。 1 2 3 量子理论描述分子间多量子相千方法 如1 1 章节所述，无论对同核单组分还是孤立双组分体系而言，由于样品本身不 存在标量偶合作用，根据传统的偶量子理论，当月= 2 时，c i u 亿e d 脉冲序列将 不会产生任何信号，因为第一个射频脉冲只能产生分子内的单量子相干( s q c ) ，而 s q c 是无法通过1 ：2 的梯度选择脉冲检测出来的。当月= o 时，情况与刀= 2 时相似， 此时c r a z e d 脉冲序列仍然不会产生任何信号。显然，c 凡坦e d 脉冲序列的实验结 l o 第一章绪论 果与传统的n m r 理论发生了严重的矛盾，在排除了可能的仪器因素和人为因素之 后，我们只能认为传统的傈理论对于c 凡钇e d 脉冲序列在高极化核自旋体系条 件下是不合适的。为此w a l l r e n 等提出了分子问多量子相干概念。他们从量子的角度 指出这些峰是分子间的偶极相互作用产生的结果，并且大胆地运用了下述的两点假 设，从而很好地解释了这些实验现象。 a 在热平衡条件下，密度算符不可简单地通过高温近似理论来描述 在热平衡条件下，核自旋系统满足b o l t z m a n n 分布，其密度算符可表示为： 成日2 e x p ( 一日7 i j j 歹) z e x p ( 一日向足r ) ( 1 2 4 ) 式中哈密顿算符是以角频率为单位，壳为p l a n c k 常数，露为b o l t z m a n n 常数，7 1 为 绝对温度。考虑最简单的情况，即只包含自旋量子数，为1 2 的核自旋体系，此时， ，在外磁场方向( z 轴) 的投影，即磁量子数m 为1 2 ，分别对应于高能态和低能态， 用状态波函数口和表示，即口= i l 2 ，l 2 ) ，= i l 2 ，一l 2 ) ，这时系统的哈密顿可 写为何= 缈，j ，为角动量算符，表示核与外界静磁场的相互作用，缈为l a r m o r 频 率，以口和为基函数，则算符，：的矩阵形式可写为： ，z = ( 三二：z ：三三主二：z ：荔三】= 三( 三! 。 c - 2 5 ， 【 j2 【o l j 。 、7 而平衡态密度矩阵为： e x p ( 一日矗七7 1 )e x p 【( 一向足丁) j ：】 像= - 二l o = 了l = t 二_ j - ： ” i 【e x p ( 一日方足7 1 ) 】i e x p 【( 一疗彩七7 1 ) j ：】 ( 1 2 6 ) e x p ( _ 等) 。 。 e x p ( + 等) 唧( 一筹) + e x p ( + 象) 厦门大学理学博士学位论文 由于平衡态两个能级的自旋布居数由风的对角矩阵元决定，低能级与高能级自 旋布居数之比为： 冬= 端p c e x p ( 一7 l 2 七r ) 1 、后r ( 1 2 7 ) 对于6 0 0 m n m r 谱仪，在室温条件下，可求得乏- 1 0 0 0 l 。 现在考虑具有两个独立自旋的系统。此时系统有四个能级，分别用状态波函数 ( 口。口：) 、( 口，屈) 、( 届口：) 、( 届：) 表示，以此为基函数，密度算符是一个4 4 的矩 阵，即 f 1 i 匕1 i 三么盖夏：三乏三主幺左置：瓮三主会客掺： 龛三；三么左：z ：幺爱三j c ，2 8 ) l j 、7 ，：i + ，：2 = 1o o0 0 o oo o o oo o o 01 ( 1 2 9 ) 此i 丁最1 氏就缴与最同酡缴阴刁门居致乙e 匕为： 乏一( 等 吐o 0 0 2 n 3 。， 以此类推，随着自旋数的增加，最低能级与最高能级核自旋的布居数之比将不 断增加，当系统的自旋数达到1 0 4 时( 此时仍然是微观的样品) ，其布居数之比为： 簪p ( 警卜 3 ， 以上讨论是没有考虑高温近似的情况。而在高温近似条件下，将e x p ( 一等) t 用t a v l o r 级数展开，并截i 卜至线忡项。此时密摩算符可表示为： 1 2 第一章绪论 舻= 寄舞 n 蚴 我们知道成用高温近似处理的原因是：等l o 一，此时岛的t a y l o r 级数展开的 风：聋：堡生一n 3 3 ， 胪茸2 丽巧j l u 3 ” 此时，虽然二次项的系数饴) 2 比一次项的系数( 等) 小几个数量级，但是二次项求 和的次数( 与有关) 是一次项求和的次数( 与有关) 的n 倍，对于一个典型的 时， 卜等( ”如) = l + 丝ooo 七丁 01oo 0o1o ooo1 一丝 七丁 ( 1 3 4 ) 疗国 孕：霉- 1 0 0 0 2 ( 1 3 5 ) 乞l 一塑 、7 此时与非高温近似的计算结果，( 1 3 0 ) 式，相符，但是，当系统的自旋数达到1 0 4 1 3 厦门大学理学博士学位论文 咎：竺晕观9 ( 1 3 6 ) 兄叫5 0 0 0 ( 等) 一 唧c 孝一鼢乞竺瓤 n 3 8 ， r 耳e x p ( 一等驯= 2 c o s h ( 等) 如= 2 。兀( 1 3 ，一) ( 1 3 9 ) ( 1 3 9 ) 式即为不考虑高温近似时平衡态密度矩阵的表示式，式中3 = 2 t a n h ( 等) ，当 温度较高时，3 等，此时如可写为： 砖玎_ ( ，一等l ) n 4 。， 砰= 2 v ( 1 一等；e ( 1 4 1 ) 注意：只有在j 7 v 较小时，硝才是正确的。此外，需要说明的是，在常规单脉冲实 1 4 第一章绪论 b 各向异性条件下，液体分子间的偶极偶极相互作用不可忽略 对于磁偶极子p 。和磁偶极子p ：之间的直接偶极偶极相互作用能，经典理沦描述 为： 易= 鲁舛，仉一3 掣 ， 4 2 ， 式中h 。( 扛1 ，2 ) 为核的磁矩，吒为核间距矢量。 相似地，偶极哈密顿量可描述为： 耻鲁否警卜一3 掣 4 3 ， 式中乃为相应核的旋磁化，哈密顿算符以角频率为单位，若将h d 写成极坐标的形式， 且只考虑久期项，则日d 可写为： 耻鲁薹善等( h c o s 2 吼) ( 3 k 。i i ) = d 材( 3 气气一i 。i 。) ， 巩= 鲁等( 1 - 3 c o s ：气) ， ( 1 4 4 ) ( 1 4 5 ) 式中为核间距矢量与静磁场方向的夹角，而域即为偶极祸合常数。考虑两个核均 为质子时。 耻1 8 8 7 1 莆 ( 1 4 6 ) 若核间距= 0 5n m 且氏= o 。则域大小为3 0 2 0 r a d s ，或者说，近似为4 8 0h z 。我 们知道在固体中，谱线线宽是很宽的，其主要原因正是由于上述偶极相互作用。 而对液体，谱线宽度是很窄的( l g h zn n 妇良i nu n s t a b l em a g n e t i c6 e l d s 【j 】p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s ，2 0 0 0 ，8 5 ( 1 7 ) ： 3 7 3 2 3 7 3 5 3 0 第一章绪论 【6 3 】h o ut ，c h e nz ，h 、v 锄gd w ，z h o n g ，h w 锄gl pi n t e n n o l e c u l a rd o u b l e - q u a n t u m c o h e r c em r i i l i c r o i m a g i n go fp i gt a i l 谢t l l 岫i q u ei m a g ec o n t r a s t 【j 】m a 印e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，2 0 0 4 ，2 2 ( 4 ) ：5 4 3 - 5 5 0 【6 4 】z h a n gs c ，z h ux q ，c h e nz ，c a ic b ，l i nt ，z h o n gmi m p r o v e m e n ti n 小ec o n t r a s t o fc e s tm v i ai n t e n n o l e c u l a rd o u b l eq u a n t u mc o h e r e n c e s 【j 】 p h y s i c si n m e d i c i n ea n db i o l o g y ，2 0 0 8 ，5 3 ( 14 ) ：n 2 8 7 - n 2 9 6 【6 5 】z h e n gb w ，c h e nz ，c a is h ，z h o n gj h ，y ec h 1 1 1 e o r e t i c 羽f o r m a l i s ma n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fl i n es h a p e so f 卜m 瓜i n t e 肿o l e c u l a rm u l t i p l e - q u a n t u m c o h e r e n c es p e c t m 【j 】j o u m a lo f c h e m i c a lp h y s i c s ，2 0 0 5 ，1 2 3 ( 7 ) 0 7 4 3 1 7 【6 6 1z h e n gb wh w a n gd wc h e nz ，h ，锄gl pr o t 撕n g 舌a m ei n t e n n o l e c u l a r d o u b l e - q u a n t u ms p i n - l 甜i c er e l a x 撕o nt 1p ，( d q c ) - w e i 曲t e dm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g 【j 】m a 印e t i cr e s o n a n c ei nm e d i c i n e ，2 0 0 5 ，5 3 ( 4 ) ：9 3 0 - 9 3 6 【6 7 】e “a vu ，n a v o ng e n h a n c e m e n to fm a g n e t i z 撕o n 仃a n s f e re 毹c t sb yi n t e 卜m o l e c u i a r m u l t i p i eq u a n t l l mf i l t e r e dn m r 【j 】j o u m a lo fm a g n e t i cr e s o n a n c e ，2 0 0 8 ，19 0 ( 1 ) ： 1 4 9 15 3 f 6 8 】l i n gw ，e 1 i “u ，n a v o ngj e r s c h o wa c h e m i c a le x c h a n g es a t u r a t i o n 昀n s f e rb y i n t e r m o l e c u l a rd o u b l e q u a n t u mc o h e r e n c e 阴j o u ma lo fm a g n e t i cr e s o n a j l c e ，2 0 0 8 ， 1 9 4 ( 1 ) ：2 9 3 2 【6 9 】b o u c h a 坩l s ，w a 盯e nw s m u l t i p l e q u a n t u mv e c t o rf i e l di m a g i n gb ym a g n e t i c r e s o n a n c e 【j 】j o u m a lo fm a g n e t i cr e s o n a n c e ，2 0 0 5 ，l7 7 ( 1 ) ：9 - 2l 【7 0 】z h o n gm ，c h e nz ，k w o ke 厢订y di n t e r m o l e c u l a rd o u b l e - q u a n t u mi m a 百n go na c l i n i c a l1 5tm rs c a n n e r 【j 】m a _ g n e l i cr e s o n a n c ei nm e d i c j n e ，2 0 0 0 ，4 3 ( 3 ) ： 3 3 5 3 4 l 【7 l 】z h o n g ，c h e nz ，k w o ke - n e wi m a g ec o n t r a s tm e c h a n i s m si ni n t e r m o l e c u l a r d o u b l e - q u a n t u mc o h e r e n c eh u m a nm ri m a g i n g 【j 】j o u m a lo fm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，2 0 0 0 ，l2 ( 2 ) ：31 l 一3 2 0 【7 2 】硒c h t e rw 硒c h t e rm ，w 打r e nw s ，m e r k i eh ，a n d e r s e npa 幽a n ygu g u r b i lk f u n c t i o n mm a 印e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g、v i t hi n t e r m o l e c u l a l rm u l t i p j e q u a n t u m 3 l 厦门大学理学博士学位论文 c o h e r e n c e s 【j 】m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，2 0 0 0 ，18 ( 5 ) ：4 8 9 - 4 9 4 【7 3 】z h o n gj h ，k w o ke ，c h e nz f m i uo fa u d i t 0 口s t i m u l a t i o n 澌t hi n t e 肿o l e c u l a r d o u b l e q u a n t u mc o h e r e n c e s ( i d q c s ) a t1 5 t j 】m a 印舐cr e s o n a n c ei nm e d i c i n e ， 2 0 0 l ，4 5 ( 3 ) ：3 5 6 3 6 4 【7 4 】z h o n gj h ，c h e nz ，k w o ke ，v e lm rim a g i n go fa n a t o m ya n df u n c t i o nb a s e do n i n t e n n o l e c u l a rd o u b l e - q u a n t u mc o h e r e n c e s ( i d q c ) i ne n d e r l ej d ( e d ) 【j 】，2 2 n d a n n u a li n t e m a t i o n 羽c o n f e r e n c eo ft h ei e e ee n g i n e e r i n gi nm e d i c i n ea n db i 0 1 0 鲥 s o c i e 够，c h i c a g o ，2 0 0 0 ，3 l1 8 3 1 2 l 【7 5 】z h o n gm ，c h e nz ，k w o kw e ，k e n n e d ys ，y r o uz y ，o p “m i z a t i o no fb l o o d o x y g e n 撕o nl e v e l 一d e p e n d e n ts e n s i t i v i 够 i n m a g n e t i c r e s o n a j l c e i m a g i n gu s i n g i n t e 咖o l e c u l a r d o u b l e q u a n t u m c o h e r e n c e 【j 】， lo t ha n n u a l m e e t i n go ft h e i n t e m a t i o n 甜一s o c i e t y - f 0 卜m a g n e t i c - r e s o n a n c e - i n - m e d i c i n e ，h o n o l u l u ，h a 、v a i i ，2 0 0 2 ， p 7 3 3 - 7 4 0 【7 6 】r i 五r r ，l it q ，b o u c h a r dl ，a s la i lb a ，w a l l r e nw s ，s c h n a l lm d ad o u b l e q u a n t u mf m r is t u d yo fm o t o ra c t i v a t i o nu s i n gas i n g l e - s h o ts p i r a ld a t aa c q u i s i t i o na t 4 t 【j 】r a d i o l o 鲥，2 0 0 0 ，2 17 ：9 2 3 - 9 2 8 3 2 第二章n m r 中的化学交换现象及其计算机模拟 2 1n m r 中的化学交换现象 2 1 1 化学交换对n m r 谱图的影响 化学交换( c h e “c a le x c h a n g e ) 是n m r 中的一个重要现象，通常表现为分子内或 者分子间的几个质子或基团交换彼此间的位置，从而导致其周围化学环境的改变。 化学交换对n m r 谱的影响可以表现为几个典型：使得谱线的线宽加大，导致邻近谱 峰的重叠( 如图2 1 所示) ；使得基团的j 偶合信息丢失( 如图2 2 所示) ；在n o e s y 等 类型的谱图中还会出现额外的交叉峰( 如图2 3 所示) ，等等【l 】。其独特的性质为分子 结构的测定、反应速率的研究提供了重要的信息【2 6 。 “挥，吣“ l 5 0 a o1 ：5 a：。0 口镨o9 8 5 0 h e r t z 图2 1 在不同温度下( 从下到上依次为2 2 3 k ，2 4 3 k ，2 5 3 k ，2 6 3 k ，2 7 3 k ) 从3 0 0 m h z 谱议上观测到的阿扎丙酮( 结构如图所示) 氮上两甲基的质子 谱。图中清晰的表示出随着温度的升高化学交换作用的加剧，两甲基峰逐 渐合并。( 从文献中复制) 厦门 学理学博士学位论史 苴一尘 l l j 一一，、l ( a )( b ) 图22 在5 0 0 m h z 谱议下观测到的水和乙醇混合溶液的谱图：( a ) 实验温度 为2 5 3 k ；( b ) 实验温度为3 3 3 k 。由圈可见，随着温度的升高，化学交换加剧， 进而导致了乙醇羟基和亚甲基上j 偶合信息的丢失。( 从文献 1 中重制) 。 段l a “湛， 矿 、 图23从5 0 0 m h 2 谱议上获得的( c h ，k n c h 0 ，e x s v 谱。该物质氮上的 两个甲基由于旋转而交换了化学环境。( a ) 对应于0 们s 的混合期，在这种 情况f 由于交换导致的交叉峰几乎不可见；( b ) 对应于1 os 的混合期，由 图可见交换导致的交叉峰相当的明显。( 从文献| 1 1 中复制) 尽链。化学交搀刈n m r l * 圈的景三响表现丁多样忡，仉足其潜在的机理j 是 致的。m c c o n n e l 】等通过修j fb 1 0 c h 方程得到j 化学交换陆况下的宏脱磁化表 第二章卜m 偶中的化学交换现象及其计算机模拟 达式。考虑最基本的两点交换情况：彳石笔竽b ，得到的b l 。c h _ m c c 。n n e l l 方程如下川： 去m ：= 一i 一国洲；一丢m ：一k 洲：+ k 洲： 去m ；= 一i 蛔。一洲：一去m ；一k a 一：+ k b 拟； 扣一社一呲吨麒 “、 去m ：= - i 蛔。一。m ；一丢m ：一k b ：+ k 翱： ?j 去m ；= _ o 一洲：一丢m ；一k 洲；+ k 棚； 去m ：= 一丢m ：一k 洲：+ k 彬： 与常规的b l o c h 方程相比，多了后面两个的交换项。正是这两项的引入使得方程 的求解过程变得复杂多了，事实上要从上述方程中得到包含所有参数的通解几乎是 不可能的，通常只能得到近似解。一般而言，化学交换对横向磁化的影响通常表现 在线型上使得谱线线宽增大，进而导致谱图细节的丢失。研究中人们习惯于把平均 交换速率后q ，( 七= 办= 匕儿，其中办+ 儿= l ，儿，以分别为两交换核 的百分数；q 为两种交换核的化学位移频率差) 的交换定义为慢交换，七q 的 交换定义为快交换，其它的交换定义为中等交换。从一张常规的n m r 一维谱来看， 慢交换对谱图线型的影响几乎可以忽略；然而随着交换速率的提高其影响将越来越