低場核磁弛豫的分類及應(yīng)用

低場核磁共振是原子核的磁矩受恒定磁場和相應(yīng)頻率的射頻磁場同時作用，且滿足一定條件時在它們的磁能級之間所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象。具體而言，樣品中的自旋不為零的原子核，它們的磁矩在靜磁場中會發(fā)生能級分裂。若用射頻電磁波（Radio Frequency，RF）照射樣品，當(dāng)電磁波的能量等于能級分裂的差值時，低能級的原子核會吸收能量發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生共振吸收信號。而一旦恢復(fù)原狀，原子核又會把多余的能量釋放出來，同時狀態(tài)發(fā)生變化。因此，它是一種利用原子核在磁場中的能量和狀態(tài)變化來獲得關(guān)于核（及其相關(guān)物質(zhì)）信息的技術(shù)。 物質(zhì)單位體積中所有原子核磁矩的矢量和稱為原子核的磁化強度矢量 M0。無外磁場作用時，由于熱運動，自旋核系統(tǒng)中各個核磁矩的空間取向雜亂無章，M0=0。有外磁場 B0（沿z 軸方向）時，磁化強度矢量沿外磁場方向。若在垂直于磁場 B0（90°）方向施加射頻場，磁化強度矢量將偏離 z 軸方向（偏離時稱 M0 為 M）；一旦射頻脈沖場作用停止，自旋核系統(tǒng)自動由不平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，并釋放從射頻磁場中吸收的能量。
 
NMR 中的弛豫按其機制的不同分為兩類：一類是在 RF 場關(guān)斷后，自旋核和周圍晶格互相傳遞能量，使粒子的狀態(tài)呈玻耳茲曼（Boltzmann）分布，稱為縱向(Gitudinal relaxation)弛豫，又叫 T1 弛豫。由于這個過程是氫核與周圍物質(zhì)進行熱交換，最后到達熱平衡，故又稱為熱馳豫或自旋-晶格馳豫。磁化強度矢量 M 在 90°RF 脈沖停止照射后，在 z 軸方向恢復(fù)到原來最大值的 63％時所需時間叫縱向馳豫時間。
對于T2弛豫過程，樣品中磁化強度矢量的水平分量衰減到零，這種衰減來自于鄰核局部場及靜磁場的不均勻性引起的散相。根據(jù)拉莫爾（Larmor）進動，自旋核的角動量（磁矩）繞主磁場B0做旋進，但樣品（自旋核系統(tǒng)）中各個自旋核旋進的頻率（角頻率）不會一致。這是因為每個自旋核相當(dāng)于一個小磁體，自旋核之間必然存在磁相互作用，其作用結(jié)果使核磁矩從聚焦的方向上分散開來，這種分散導(dǎo)致M在xy平面的投影從最大值衰減到零。
馳豫過程和馳豫時間所具有的這些含義和特征，使它成為NMR技術(shù)分析中的重要參數(shù)。了解 T1、T2的本質(zhì)及它們受外界的影響是掌握 NMR 理論應(yīng)用的重要的物理依據(jù)和基礎(chǔ)。對于 T1 弛豫過程，樣品中的自旋核與晶格以熱輻射的形式相互作用。顯然，所研究的對象必須是物質(zhì)中的自旋核，即自旋不為零的核，而到目前為止一般是針對物質(zhì)樣品中的氫核。這是由含氫物質(zhì)的旋磁比、天然含量和賦存狀態(tài)決定的，例如在巖石骨架和孔隙流體中，幾種豐度大的自旋不為零的核素是 1H、23Na、35Cl，后兩種現(xiàn)在還不能測定，只有 1H 的豐度大，磁性強，容易測定。油井勘探儲層中大量的水和烴（油、氣）即如此。又如生物組織或器官內(nèi)水的成份占 70%[2]，所以在其成像和波譜分析中都是將 1H 作為研究對象。