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核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)实验中,样品的磁化强度矢量会产生一个退磁场,该退磁场又会反过来作用于样品的磁化强度矢量上,从而在核磁共振实验中引入退磁场效应(Demagnetization Field Effects,DFE)。NMR中的退磁场效应会产生一些奇特而有趣的现象,因此自被发现以来就引起NMR学界浓厚的兴趣。退磁场效应具有复杂的非线性特征,在测量扩散系数、灵敏度增强、不均匀磁场中的高分辨谱,以及特别是磁共振成像等领域中有着重要的应用,因此对NMR中的退磁场效应的研究有着重要的意义。本论文对液体核磁共振中的退磁场效应以及与其相关的领域进行了研究,具体包括如下几个方面:
1.CRAZED的时域信号的包络线通常用函数t2exp[(t2+2t1)/T2来表示,但是这个公式用来表示CRAZED信号的自旋回波特征就显得过于简单。本文同时考虑到均匀增宽效应与不均匀增宽效应,得出了在不均匀磁场中CRAZED时域信号的公式表达。从该公式可以看出在t2=2t1时既有化学位移回波,也有场不均匀性回波。实验和模拟结果均印证了理论推导。
2.CRAZED实验已经在磁共振成像等诸多领域有着广泛的应用,但是其固有的弱点是信号小,灵敏度低,因此在实验中设定最优的脉冲翻转角以获得最大信号强度非常重要。我们讨论了异核多量子CRAZED信号强度与读脉冲翻转角β的关系,并且利用31P{1H)异核CRAZED实验验证了本文的理论预言。我们发现若多量子CRAZED信号的相干阶为负,则信号强度与cos(β/2)成正比,最佳读脉冲应为0度,该信号属梯度回波;若多量子CRAZED信号的相干阶为正,则信号强度与sin2(β/2)成正比,最佳读脉冲应为180度,该信号属自旋回波。本文同样发现这个理论结果与同核CRAZED实验也是相符的。
3.提高灵敏度和分辨率一直是NMR技术发展中最重要的方向之一,然而在谱图处理过程中利用窗函数只能提高灵敏度或分辨率两者之一。在研究退磁场在磁共振成像中的应用时发现,对NMR谱图进行求幂处理可以同时提高灵敏度和分辨率。理论分析和实验对比均显示了在求幂处理之后NMR的灵敏度和分辨率都得到明显提高。该方法并不仅限于液体核磁共振,也可以应用于固体核磁共振以及磁共振成像等领域。
4.DEPT等极化转移方法是提高NMR实验灵敏度的重要途径之一,近年出现一种Q-DEPT方法,将DEPT脉冲序列应用于增强定量13C NMR谱,然而我们通过积算符推导发现该方法中忽略了可观测信号中的某些部分,从而导致参数优化不完善,定量结果不够好。考虑到实验中全部的可观测信号,重新优化了Q-DEPT实验中的相关参数,得到的新方法称为Q-DEPT+。应用该方法可以在相当宽的J偶合常数范围内对不同类型的13C核给出灵敏度增强的定量结果。依相同的思路,本文基于POMMIE序列发展出另一种灵敏度增强的定量方法,Q-POMMIE,该方法具有与Q-DEPT相似的定量效果。