Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance
Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance
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发表时间：
2001
期刊：
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通讯作者：
M. Levitt
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作者：
M. Levitt
前言。第一版序言。介绍。第 1 部分核磁。 1 事。 1.1 原子和原子核。 1.2 旋转。 1.3 原子核。 1.4 核自旋。 1.5 原子和分子结构1.6 物质状态。笔记。进一步阅读。练习。 2 磁性。 2.1 电磁场。 2.2 宏观磁性。 2.3 微观磁性。 2.4 自旋进动。 2.5 拉莫尔频率。 2.6 自旋晶格弛豫：核顺磁性。 2.7 横向磁化和横向弛豫。 2.8 核磁共振信号。 2.9 电磁学。笔记。进一步阅读。练习。 3 核磁共振波谱。 3.1 简单的脉冲序列。 3.2 简单谱。 3.4 相对频谱频率：正旋磁比的情况。 3.5 相对频谱频率：负旋磁比的情况。 3.6 非均匀展宽。 3.7 化学位移。 3.8 J 耦合多重态。 3.9 异核解偶联。笔记。进一步阅读。练习。第 2 部分 NMR 实验。 4 核磁共振波谱仪。 4.1 磁铁。 4.2 发射机部分。 4.3 双工器。 4.4 探针。 4.5 接收器部分。 4.6 射频部分概述。 4.7 脉冲场梯度笔记。进一步阅读。 5 傅立叶变换核磁共振。 5.1 单脉冲实验。 5.2 信号平均。 5.3 多脉冲实验：相位循环。 5.4 异核实验。 5.5 脉冲场梯度序列5.6 阵列实验。 5.7 核磁共振信号。 5.8 核磁共振谱。 5.9 二维光谱学。 5.10 三维光谱。第 3 部分量子力学。 6 数学技巧。 6.1 功能。 6.2 运营商。 6.3 特征函数、特征值和特征向量。 6.4 对角化。 6.5 指数运算符6.6 循环换向笔记。进一步阅读。练习。 7 量子力学评论。 7.1 无自旋量子力学。 7.2 能量水平。 7.3 自然单位。 7.4 叠加态和静止态。 7.5 守恒定律。 7.6 角动量。 7.7 旋转。 7.8 旋转-1/2。 7.9 更高的旋转。笔记。进一步阅读。练习。第 4 部分核自旋相互作用。 8 核自旋哈密顿量。 8.1 自旋哈密顿假说。 8.2 电磁相互作用。 8.3 外部和内部自旋相互作用。 8.4 外部磁场。 8.5 内自旋哈密顿量8.6 运动平均。笔记。进一步阅读。练习。 9 内自旋相互作用。 9.1 化学位移。 9.2 电动四极耦合。 9.3 直接偶极子-偶极子耦合9.4 J 联轴器。 9.5 自旋-旋转相互作用。 9.6 自旋哈密顿项的总结笔记。进一步阅读。练习。第 5 部分 解耦旋转。 10 单次旋转-1/2。 10.1 塞曼本征态。 10.2 角动量的测量：量子不确定性10.3 能量水平。 10.4 叠加态10.5 自旋进动10.6 旋转框架。 10.7 旋转坐标系中的进动10.8 射频脉冲。笔记。进一步阅读。练习。 11 旋转合奏-1/2。 11.1 自旋密度算子11.2 总体和一致性。 11.3 热平衡11.4 旋转框架密度算子11.5 磁化矢量。 11.6 强射频脉冲。 11.7 无弛豫的自由进动。 11.8 运算符转换。 11.9 放松的自由进化11.10 磁化矢量轨迹11.11 核磁共振信号和核磁共振谱。 11.12 单脉冲光谱笔记。进一步阅读。练习。 12 个非相互作用自旋实验-1/2。 12.1 反转恢复：T1 的测量。 12.2 自旋回波：T2 的测量。 12.3 自旋锁定：T1 的测量。 12.4 梯度回波12.5 切片选择。 12.6 核磁共振成像。笔记。进一步阅读。练习。 13 个四极核。 13.1 自旋 I = 1。 13.2 自旋 I = 3/2。 13.3 自旋 I = 5/2。 13.4 旋转 I = 7/2。 13.5 旋转 I = 9/2。笔记。进一步阅读。练习。第 6 部分 耦合旋转。 14 旋转 1/2 对。 14.1 耦合机制。 14.2 塞曼积态和叠加态14.3 自旋对哈密顿量。 14.4 磁力等效自旋对14.5 弱耦合自旋对笔记。进一步阅读。练习。 15 同核 AX 系统。 15.1 本征态和能级15.2 密度算子15.3 旋转框架。 15.4 自由进化。 15.5 AX 系统的谱：自旋-自旋分裂。 15.6 产品运营商。 15.7 热平衡15.8 射频脉冲15.9 产品算子的自由演化。 15.10 旋转回波三明治。笔记。进一步阅读。练习。 16 AX 系统实验。 16.1 舒适。 16.2 不充分。 16.3 无能。 16.4 残余偶极耦合笔记。进一步阅读。练习。 17 多次旋转系统。 17.1 分子自旋系统17.2 自旋系综17.3 运动抑制 J 联轴器。 17.4 化学当量。 17.5 磁当量17.6 弱耦合17.7 异核自旋系统17.8 字母表示法。 17.9 自旋耦合拓扑笔记。进一步阅读。练习。 18 多自旋动力学。 18.1 自旋哈密顿量。 18.2 能量本征态18.3 叠加态18.4 自旋密度算子18.5 总体和一致性18.6 核磁共振谱。 18.7 多旋转产品运算符。 18.8 热平衡18.9 射频脉冲18.10 自由进动。 18.11 旋转回波三明治。 18.12 I2S 系统中的 INEPT。 18.13 多自旋系统中的 COSY。 18.14 TOCSY。笔记。进一步阅读练习。第 7 部分 运动和放松。 19 动议。 19.1 运动过程。 19.2 运动时间尺度19.3 运动效果。 19.4 运动平均。 19.5 运动线型和两点交换19.6 样品旋转。 19.7 纵向磁化交换。 19.8 扩散。笔记。进一步阅读。练习。 20 放松。 20.1 放松的类型。 20.2 放松机制。 20.3 随机场松弛。 20.4 偶极-偶极弛豫。 20.5 稳态核奥沃豪瑟效应20.6 诺西。 20.7 罗西。 20.8 互相关松弛。笔记。进一步阅读。练习。附录。附录 A. A.1 欧拉角和框架变换。 A.2 旋转和循环换向。 A.3 旋转三明治。 A.4 自旋 1/2 旋转运算符。 A.5 正交检测和自旋相干性。 A.6 长期近似。 A.7 四极相互作用。 A.8 强耦合。 A.9 J 联轴器和磁当量。 A.10 旋转回波三明治。 A.11 相位循环。 A.12 通过脉冲场梯度进行相干选择。 A.13 布洛赫方程。 A.14 化学交换。 A.15 所罗门方程。 A.16 交叉松弛动力学。笔记。进一步阅读。附录 B. B.1 符号和缩写。 B.2 练习答案。
Preface. Preface to the First Edition. Introduction. Part 1 Nuclear Magnetism. 1 Matter. 1.1 Atoms and Nuclei. 1.2 Spin. 1.3 Nuclei. 1.4 Nuclear Spin. 1.5 Atomic and Molecular Structure. 1.6 States of Matter. Notes. Further Reading. Exercises. 2 Magnetism. 2.1 The Electromagnetic Field. 2.2 Macroscopic Magnetism. 2.3 Microscopic Magnetism. 2.4 Spin Precession. 2.5 Larmor Frequency. 2.6 Spin-Lattice Relaxation: Nuclear Paramagnetism. 2.7 Transverse Magnetization and Transverse Relaxation. 2.8 NMR Signal. 2.9 Electronic Magnetism. Notes. Further Reading. Exercises. 3 NMR Spectroscopy. 3.1 A Simple Pulse Sequence. 3.2 A Simple Spectrum. 3.4 Relative Spectral Frequencies: Case of Positive Gyromagnetic Ratio. 3.5 Relative Spectral Frequencies: Case of Negative Gyromagnetic Ratio. 3.6 Inhomogeneous Broadening. 3.7 Chemical Shifts. 3.8 J-Coupling Multiplets. 3.9 Heteronuclear Decoupling. Notes. Further Reading. Exercises. Part 2 The NMR Experiment. 4 The NMR Spectrometer. 4.1 The Magnet. 4.2 The Transmitter Section. 4.3 The Duplexer. 4.4 The Probe. 4.5 The Receiver Section. 4.6 Overview of the Radio-Frequency Section. 4.7 Pulsed Field Gradients. Notes. Further Reading. 5 Fourier Transform NMR. 5.1 A Single-Pulse Experiment. 5.2 Signal Averaging. 5.3 Multiple-Pulse Experiments: Phase Cycling. 5.4 Heteronuclear Experiments. 5.5 Pulsed Field Gradient Sequences. 5.6 Arrayed Experiments. 5.7 NMR Signal. 5.8 NMR Spectrum. 5.9 Two-Dimensional Spectroscopy. 5.10 Three-Dimensional Spectroscopy. Part 3 Quantum Mechanics. 6 Mathematical Techniques. 6.1 Functions. 6.2 Operators. 6.3 Eigenfunctions, Eigenvalues and Eigenvectors. 6.4 Diagonalization. 6.5 Exponential Operators. 6.6 Cyclic Commutation. Notes. Further Reading. Exercises. 7 Review of Quantum Mechanics. 7.1 Spinless Quantum Mechanics. 7.2 Energy Levels. 7.3 Natural Units. 7.4 Superposition States and Stationary States. 7.5 Conservation Laws. 7.6 Angular Momentum. 7.7 Spin. 7.8 Spin-1/2. 7.9 Higher Spin. Notes. Further Reading. Exercises. Part 4 Nuclear Spin Interactions. 8 Nuclear Spin Hamiltonian. 8.1 Spin Hamiltonian Hypothesis. 8.2 Electromagnetic Interactions. 8.3 External and Internal Spin Interactions. 8.4 External Magnetic Fields. 8.5 Internal Spin Hamiltonian. 8.6 Motional Averaging. Notes. Further Reading. Exercises. 9 Internal Spin Interactions. 9.1 Chemical Shift. 9.2 Electric Quadrupole Coupling. 9.3 Direct Dipole-Dipole Coupling. 9.4 J-Coupling. 9.5 Spin-Rotation Interaction. 9.6 Summary of the Spin Hamiltonian Terms. Notes. Further Reading. Exercises. Part 5 Uncoupled Spins. 10 Single Spin-1/2. 10.1 Zeeman Eigenstates. 10.2 Measurement of Angular Momentum: Quantum Indeterminacy. 10.3 Energy Levels. 10.4 Superposition States. 10.5 Spin Precession. 10.6 Rotating Frame. 10.7 Precession in the Rotating Frame. 10.8 Radio-Frequency Pulse. Notes. Further Reading. Exercises. 11 Ensemble of Spins-1/2. 11.1 Spin Density Operator. 11.2 Populations and Coherences. 11.3 Thermal Equilibrium. 11.4 Rotating-Frame Density Operator. 11.5 Magnetization Vector. 11.6 Strong Radio-Frequency Pulse. 11.7 Free Precession Without Relaxation. 11.8 Operator Transformations. 11.9 Free Evolution with Relaxation. 11.10 Magnetization Vector Trajectories. 11.11 NMR Signal and NMR Spectrum. 11.12 Single-Pulse Spectra. Notes. Further Reading. Exercises. 12 Experiments on Non-Interacting Spins-1/2. 12.1 Inversion Recovery: Measurement of T1. 12.2 Spin Echoes: Measurement of T2. 12.3 Spin Locking: Measurement of T1 . 12.4 Gradient Echoes. 12.5 Slice Selection. 12.6 NMR Imaging. Notes. Further Reading. Exercises. 13 Quadrupolar Nuclei. 13.1 Spin I = 1. 13.2 Spin I = 3/2. 13.3 Spin I = 5/2. 13.4 Spins I = 7/2. 13.5 Spins I = 9/2. Notes. Further Reading. Exercises. Part 6 Coupled Spins. 14 Spin-1/2 Pairs. 14.1 Coupling Regimes. 14.2 Zeeman Product States and Superposition States. 14.3 Spin-Pair Hamiltonian. 14.4 Pairs of Magnetically Equivalent Spins. 14.5 Weakly Coupled Spin Pairs. Notes. Further Reading. Exercises. 15 Homonuclear AX System. 15.1 Eigenstates and Energy Levels. 15.2 Density Operator. 15.3 Rotating Frame. 15.4 Free Evolution. 15.5 Spectrum of the AX System: Spin-Spin Splitting. 15.6 Product Operators. 15.7 Thermal Equilibrium. 15.8 Radio-Frequency Pulses. 15.9 Free Evolution of the Product Operators. 15.10 Spin Echo Sandwich. Notes. Further Reading. Exercises. 16 Experiments on AX Systems. 16.1 COSY. 16.2 INADEQUATE. 16.3 INEPT. 16.4 Residual Dipolar Couplings. Notes. Further Reading. Exercises. 17 Many-Spin Systems. 17.1 Molecular Spin System. 17.2 Spin Ensemble. 17.3 Motionally Suppressed J-Couplings. 17.4 Chemical Equivalence. 17.5 Magnetic Equivalence. 17.6 Weak Coupling. 17.7 Heteronuclear Spin Systems. 17.8 Alphabet Notation. 17.9 Spin Coupling Topologies. Notes. Further Reading. Exercises. 18 Many-Spin Dynamics. 18.1 Spin Hamiltonian. 18.2 Energy Eigenstates. 18.3 Superposition States. 18.4 Spin Density Operator. 18.5 Populations and Coherences. 18.6 NMR Spectra. 18.7 Many-Spin Product Operators. 18.8 Thermal Equilibrium. 18.9 Radio-Frequency Pulses. 18.10 Free Precession. 18.11 Spin Echo Sandwiches. 18.12 INEPT in an I2S System. 18.13 COSY in Multiple-Spin Systems. 18.14 TOCSY. Notes. Further Reading Exercises. Part 7 Motion and Relaxation. 19 Motion. 19.1 Motional Processes. 19.2 Motional Time-Scales. 19.3 Motional Effects. 19.4 Motional Averaging. 19.5 Motional Lineshapes and Two-Site Exchange. 19.6 Sample Spinning. 19.7 Longitudinal Magnetization Exchange. 19.8 Diffusion. Notes. Further Reading. Exercises. 20 Relaxation. 20.1 Types of Relaxation. 20.2 Relaxation Mechanisms. 20.3 Random Field Relaxation. 20.4 Dipole-Dipole Relaxation. 20.5 Steady-State Nuclear Overhauser Effect. 20.6 NOESY. 20.7 ROESY. 20.8 Cross-Correlated Relaxation. Notes. Further Reading. Exercises. Appendices. Appendix A. A.1 Euler Angles and Frame Transformations. A.2 Rotations and Cyclic Commutation. A.3 Rotation Sandwiches. A.4 Spin-1/2 Rotation Operators. A.5 Quadrature Detection and Spin Coherences. A.6 Secular Approximation. A.7 Quadrupolar Interaction. A.8 Strong Coupling. A.9 J-Couplings and Magnetic Equivalence. A.10 Spin Echo Sandwiches. A.11 Phase Cycling. A.12 Coherence Selection by Pulsed Field Gradients. A.13 Bloch Equations. A.14 Chemical Exchange. A.15 Solomon Equations. A.16 Cross-Relaxation Dynamics. Notes. Further Reading. Appendix B. B.1 Symbols and Abbreviations. B.2 Answers to the Exercises.