液體核磁共振中多核體系的量子模擬

黃珊珊，李鵬，何培忠

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海200093；2.上海健康醫(yī)學院醫(yī)學影像學院，上海201318

前言

核磁共振（NMR）技術(shù)是用射頻脈沖激發(fā)處在外磁場中具有自旋的原子核，使之在相鄰能級間發(fā)生共振躍遷，采樣得到一個自由感應(yīng)衰減（Free Induction Decay,FID）信號，經(jīng)過傅里葉變換得到頻譜圖，用來測定物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)［1］。NMR 譜圖中主要包含3個信息：化學位移、耦合常數(shù)、譜線的積分面積，其中耦合常數(shù)是自旋核之間磁相互作用大小的量度，在圖譜中表現(xiàn)為特征譜線裂分形成的多重峰。多核自旋體系中相鄰兩核之間的核磁矩通過化學鍵傳遞產(chǎn)生的間接相互作用稱為J 耦合［2］，耦合常數(shù)包含自旋核之間化學鍵的相關(guān)信息，是NMR 波譜技術(shù)中解析分子幾何結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)［3］。液體NMR中分子的隨機運動平均了直接耦合作用，J 耦合作用是液態(tài)物質(zhì)特征譜線裂分的主要原因［4］。

量子模擬利用量子力學原理構(gòu)建量子系統(tǒng)來模擬實際實驗，可從模擬數(shù)據(jù)中提取相關(guān)的參數(shù)信息，用于設(shè)計新的實驗和促進理論研究的發(fā)展［5］。核自旋系統(tǒng)是一個系綜［6］，其量子初態(tài)和整個演化過程遵循量子力學原理，使用數(shù)值計算方法對一個NMR 實驗進行量子力學建模，理論上可得到與實際實驗一樣的結(jié)果。目前比較成功的NMR 模擬程序有GAMMA［7］、SIMPSON［8］、SPINEVOLUTION［9］，它們的共同點是使用哈密頓算符來表示NMR 中任一時刻的全部相互作用，從量子初態(tài)出發(fā)到最后采樣，得到一個FID信號，再做傅里葉變換獲得與實際實驗結(jié)果十分相近的譜。……