核磁共振基本原理

核磁共振現象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的運動。根據量子力學原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定，實驗結果顯示，不同類型的原子核自旋量子數也不同： 質量數和質子數均為偶數的原子核，自旋量子數為0；質量數為奇數的原子核，自旋量子數為半整數；質量數為偶數，質子數為奇數的原子核，自旋量子數為整數。迄今為止，只有自旋量子數等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。

    由于原子核攜帶電荷，當原子核自旋時，會由自旋產生一個磁矩，這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉，這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動，稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的外加磁場中，其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關，根據量子力學原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續分布的，而是由原子核的磁量子數決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號。