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分子间多量子相干(intermolecular Multiple Quantum Coherence,iMQC)自1990年被发现以来,便引起核磁共振(NMR)研究者的极大兴趣,并在许多方面得到广泛的应用。实验与理论研究均表明iMQC是由远程偶极相互作用引起的。由于非局域化的远程偶极场具有复杂的非线性特性,与其它效应的联合作用可能导致复杂多样的现象,因此,模拟与实验研究包含远程偶极场的效应具有重要的意义。
本论文研究了CRAZED实验中在远程偶极场、分子自扩散和背景梯度场等因素影响下,核自旋体系的演化,深入考察了偶极场条件下分子的表观扩散行为,获得了iMQC在改进型CRAZED序列的第二演化期(采样前期)的扩散特性及其信号变化规律,主要研究成果有:
一、从理论上分析了在含有任意射频脉冲相位的CRAZED脉冲序列作用下iMQC的信号表达式及偶极场效应。详细考察了COSY和CRAZED实验中偶极场、相干选择梯度场、背景梯度场、分子自扩散和实验温度等对iMQC信号的影响,着重讨论了偶极场和分子自扩散的关系。在不均匀场条件下,采用适当的相位循环,常规CRAZED脉冲序列中必不可少的相干选择梯度场可以省略,iMQC信号衰减仅受扩散和弛豫的影响。温度升高时CRAZED和COSY实验中iMQC信号的衰减是偶极场、梯度场、分子自扩散等多种因素综合作用的结果。基于经典偶极场理论的多量子相干机制同样适合于解释COSY实验的多谐波现象。
二、考察了在改进型CRAZED脉冲序列的第二演化期(采样前期)单组份核自旋体系的表观扩散行为。基于偶极场理论,分析了在脉冲序列作用下,核自旋体系的演化过程。受扩散加权梯度场(Diffusion Weighting Gradient,DWG)与相干选择梯度场(Coherence Selection Gradient,CSG)相对取向的影响,第二演化期分子间二量子相干(intermoleeular Double Quantum Coherence,iDQC)的表观扩散行为与常规单量子相干扩散可能不同。当扩散加权梯度场平行或反平行于相干选择梯度场时,iDQC扩散受到远程偶极场的调制。数值模拟与实验测量结果与理论预测相吻合。这一研究结果有助于进一步了解iMQC磁共振成像中信号的变化特性。
三、将研究对象扩展到双组份核自旋体系,研究其分子间零量子相干(intermolecular Zero-Quantum Coherence,iZQC)和iDQC表观扩散行为。我们采用积算符和远程偶极场理论分析在在改进型CRAZED脉冲序列作用下自旋的演化过程,并对理论分析结果进行实验和模拟验证。结果表明iZQC和iDQC具有相同的表观扩散行为,它们都受到选择激发的核自旋产生的远程偶极场的调制,并且DWG相对于CSG的作用方向不同将产生不同的表观扩散行为。此结论可以推广到多组份核自旋体系。
四、基于iMQC的远程偶极相互作用原理,改进CRAZED脉冲序列,用于观测NMR和MMR中iDQC信号的凹陷现象。研究发现,iDQC信号凹陷现象的出现与样品的几何形状、磁场的不均匀性及CSG有关。当磁场的不均匀性被完全消除时,信号凹陷固定出现在k=γGδ这一位置上,γ核自旋的旋磁比,G为梯度场强度,δ梯度场作用时间。此时,偶极相关距离等于样品的几何尺寸(外径)。iMQC信号的这一特殊性质可能为多孔结构探测提供一个独特的方法,并在生物医学和材料科学研究中得到应用。