核磁共振及其應(yīng)用

1、核磁共振及其應(yīng)用發(fā)布范圍：公開 2010-02-03 16:26二 核磁共共核磁共振現(xiàn)象是由美國科學(xué)家柏塞爾(E.M.Purcell)和瑞士科學(xué)家布洛赫 (E.Bloch)于1945年12月和1946年1月分別獨(dú)立 發(fā)現(xiàn)的。他們共享了 1952年諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng)。核磁共振 (nuclear magnetic resonan ce)是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時(shí)作用，且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象，是一種利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關(guān)于核信息的技術(shù)。50多年來，由核磁共振轉(zhuǎn)化為探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的高新技術(shù)已取得了驚人的進(jìn)展。目前，核磁共振已在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科

2、學(xué)等領(lǐng) 域得到廣泛應(yīng)用。核口加4楨磁矩 =如同電子具有自旋角動(dòng)量和自旋磁矩一樣，核也具有自旋角動(dòng)量和自旋磁矩。核自旋 巧即是原子核內(nèi)所有核子的自旋角動(dòng)兩F量與軌道角動(dòng)量的矢量和，其大小+ 其中I為核自旋量子數(shù)。月在外磁場方向(設(shè)磁場沿z方向)的投影為是三叫龍，叫稱為核自旋磁量子數(shù),I 一定時(shí)，附/有(2 I +1)個(gè)取值。-gFi自旋不為零的原子核有磁矩，它與核自旋的關(guān)系為1mp ,式中用為質(zhì)子的質(zhì)量，g4稱為核的朗德因子，它取決于核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與特性，且是一個(gè)無量綱的量。于是，巾kly = J_-旋磁比圄。核磁子在外磁場(沿z軸)方向的投影國3氧網(wǎng)龍外at場中的傕量其中= = 5.505786

3、6 乂 L（T"（JT】） 2fn p稱作核磁子。通常將 用取最大值I時(shí)的戶稱為核的磁矩，記作這磁矩在空間的可能取向如圖2所示，它位于核磁矩 *在外磁場（沿z軸）中旋進(jìn)的錐面上。磁矩與磁場的相互作用能為艮一出爵二戶”岫由于同一 I下有（2 I +1）個(gè)加F值，因而原來得一個(gè)核能級附加上相互作用能，將會(huì)有（2I +1）個(gè)能量值，稱為為子能級。相鄰兩個(gè)子能級的能量差（因其解值相差為1）為啊二士例如，2氫核的基態(tài)核能級，在恒定磁場中的分裂情況如圖3所示。-核磁共振隙理=已知核磁矩在外磁場的作用下旋進(jìn)，可以求得其旋進(jìn)角速度為 中=/。，若再在垂直于P”。的方向加一個(gè)頻率在射頻范圍的交變磁場B

4、 （如圖4所示），當(dāng)其頻率與核磁矩旋進(jìn)頻圖4核磁共振原理圖率一致時(shí)，便產(chǎn)生共振吸收；當(dāng)射頻場被撤去后，磁 場又把這部分能量以輻射形式釋放出來，這就是共振 發(fā)射。這共振吸收和共振發(fā)射的過程稱為核磁共振。由于相鄰兩個(gè)能級對應(yīng)的核自旋磁量子數(shù)用/的改變量 也勺=±1 ,因而只有在相鄰兩個(gè)能級間的躍 遷才是允許的。于是，交變磁場的頻率V所對應(yīng)的能量V應(yīng)等于相鄰子能級的能量差，由 （3）式可得 A1觸。,所以發(fā)生核磁共振的條件應(yīng)是利用量子力學(xué)的理論不僅能夠算出共振頻率，而且能夠算出對于不同頻率的凈吸收能量，從而確定吸收曲線的形狀。 凈吸收能量取決于兩個(gè)能級之間的躍遷概率和處于每個(gè)能級的粒子數(shù)目

5、，詳細(xì)的計(jì)算方法這里不再討論。在核磁共振中經(jīng)常要考慮氫核即質(zhì)子的共振。例如，質(zhì)子在外磁場中，由磁矩平行于 6。的態(tài)躍遷到反平行于01的態(tài)，空，了穌,二_ W _ 1是共振頻率2兄2尸。，當(dāng)為=1T蟲 片4256MHz。這一頻率落在微波范圍，波長約7nl實(shí)現(xiàn)核磁共振，既可以保持磁場不變而調(diào)節(jié)入射電磁波的頻率，也可以使用固定頻率的電磁波照射，而調(diào)節(jié)樣品所受的外磁場。圖5是調(diào)磁場核磁共振示意圖， 其裝置由四部分組成：永磁鐵，用來產(chǎn)生強(qiáng)大的外磁場,標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的場強(qiáng)為1.4 T。峰。掃描線圈，用于使外磁場作微小振蕩，從而使我們能在示波器上看到尖銳的共振v = 6x107(Ez),這個(gè)輻圖5調(diào)磁場核磁共

6、振癱示意圖圖5倜頻核磁共振實(shí)驗(yàn)不:意圖調(diào)制振蕩器射麻振蕩器圖6是調(diào)頻率核磁共振示意圖,樣品（如水）裝在小瓶中置于磁體兩極之間，瓶外繞以線圈，由射頻振蕩器向它輸入射頻電流。這電流就向樣品發(fā)射同頻率的電磁波，其頻率大致與射頻振蕩器，它用于產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射，通常頻率 射的磁場起 El的作用。探測器，用于探測從振蕩器中吸收的能量。射頻振蕩器外磁場 勺對應(yīng)的頻率相等。為了精確地測定共振頻率，就用一個(gè)調(diào)頻振蕩器使射頻電磁波的頻率在共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)電磁波頻率正好等于共振頻率時(shí)，射頻振蕩器的輸出就 出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，它可以從示波器上看出，同時(shí)由頻率計(jì)數(shù)器讀出此共振頻率。核磁共振分析技術(shù)圖7乙醇中三

7、個(gè)如核磁共颼收譜核磁共振已在眾多領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用。從技術(shù)手段上講，核磁共振的應(yīng)用主要有 兩個(gè)方面：核磁共振波譜應(yīng)用和核磁共振成象 的應(yīng)用。所謂核磁共振波譜，實(shí)際上是吸收率（縱 坐標(biāo)）對化學(xué)位移（橫坐標(biāo)）的關(guān)系曲線。因 為實(shí)際過程中，作用在核磁矩（主要研究的常常是質(zhì)子的磁矩）上的磁場，除了外磁場0外，還受到核外周圍電子產(chǎn)生的磁場的影響。于是，在同樣的外部條件下，位于不同分子中的核，或雖在同一分子中但位于不同化學(xué)集團(tuán) 的核，其共振頻率都與由（4）式計(jì)算出的理論值有不同程度的微小偏移。由于這種偏移與 核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，因而稱之為化學(xué)位移。若是掃場法，則表現(xiàn)為共振時(shí)的磁場不同。如圖7所示即為乙

8、醇中三個(gè)】h核在化學(xué)結(jié)構(gòu)中的環(huán)境不同， 引起不同的共振 曲線，出現(xiàn)各自分離的共振吸收峰。 當(dāng)然，這種由于化學(xué)環(huán)境不同而引起的核磁共振頻率的 偏移量是很微小的。對H核而言，這種偏移量僅為百萬分之十。 但正是因?yàn)橛羞@一微小差異， 即可由核磁共振譜得到分子結(jié)構(gòu)的某些信息，如核外電子云的分布等。核磁共振成像是從核磁共振譜進(jìn)一步發(fā)展起來的先進(jìn)技術(shù)。目前已又多種核磁共振成像方法，如質(zhì)子密度成像、投影重建成像、弛豫時(shí)間成像、化學(xué)位移成像等等，它們各具特色。 下面簡要介紹兩種方法：（1）點(diǎn)成像法已知發(fā)生核磁共振的頻率條件為田=嫉。現(xiàn)在一個(gè)均勻磁場上疊加一個(gè)與空間位置有關(guān)的梯度磁場。這樣，空間各點(diǎn)的磁場不同，因

9、而共振頻率也有所不同，于是共振頻率與樣品的空間分布有關(guān)， 這就是核磁共振成像的最初考慮。如果在x, y, z三個(gè)方向上分別加以梯度磁場，則可得到相應(yīng)于三維空間點(diǎn)（位置坐標(biāo)為x, y, z）的共振頻率；再經(jīng)過傅里葉變換、計(jì)算機(jī)處理等技術(shù)手段， 就可以把頻域的信息轉(zhuǎn)換為樣品空間分布0（工乂2）的信息。當(dāng)以圖形的形式表示這種信息時(shí)，就得到樣品的核磁共振成像。（2）弛豫時(shí)間成像法介質(zhì)中大量質(zhì)子磁矩在外磁場作用下達(dá)到平衡;若受到擾動(dòng)會(huì)偏移平衡，但可以自動(dòng)地恢復(fù)平衡?；謴?fù)平衡可以通過兩種不同步驟：第一步，通過質(zhì)子與質(zhì)子之間的作用先達(dá)到平衡，這種恢復(fù)平衡所需要的時(shí)間稱為自旋-自旋弛豫時(shí)間 方。第二步是整個(gè)質(zhì)

10、子磁矩與周圍是芯還是。，環(huán)境作用而恢復(fù)平衡， 這種恢復(fù)平衡所需的時(shí)間稱為自旋 -晶格弛豫時(shí)間1。不管弛豫時(shí)間 它們都與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)內(nèi)部的相互作用有關(guān)。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和相互作用變化，必將引起弛豫時(shí)間的變化，得到的核磁共振信號的強(qiáng)弱也就隨之變化了。例如，人們發(fā)現(xiàn)水中的氫和脂肪及其他大分子中的氫的弛豫時(shí)間相差很大。由于不同組織所含的水的分量不同，通過測量馳豫時(shí)間就能把它們區(qū)分開來。接磁共DE技術(shù)的應(yīng)用核磁共振技術(shù)早期僅限于原子核的磁矩、電四極矩和自旋的測量，隨后則被廣泛地用于確定分子結(jié)構(gòu)，用于對生物在組織與活體組織的分析、病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損檢測等諸多方面。還可以用來觀測一些動(dòng)態(tài)過程（如生化

11、過程、化學(xué)過程等）的變化。例一，確定分子結(jié)構(gòu)。用核磁共振法得到乙基苯的核磁共振譜圖如圖8所示。由圖可見位于乙基苯中不同的化學(xué)集團(tuán) -CH?（甲基）（次甲基）。（口5-（苯基）中的氫核，因其化學(xué)環(huán)境不同而有不同的化學(xué)位移J,不依次為1.22ppm,2.63ppm和7.18ppm,而標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)TMS的8二口。圖中顯示出：不同化學(xué)集團(tuán)處有不同的峰值數(shù)，這是由于不同化學(xué)集團(tuán) 間核的自旋耦合作用引起的能級分裂而造成的。譜線還有一定的寬度，吸收峰的面積正比于相應(yīng)化學(xué)集團(tuán)中氫核的數(shù)目。因而對吸收曲線所包圍面積進(jìn)行積分，便可知各化學(xué)集團(tuán)中包含氫核的數(shù)目。核磁共振儀中配置的電子積分器，可把譜線強(qiáng)度畫成階梯式的線，

12、以階梯的高度代表峰面積的相對值。由圖 8可知，乙基苯三個(gè)化學(xué)集團(tuán)中氫核的數(shù)目比為5:2:3 。7*06,05,044 乩。 又閶 Lt) 0-6 (ppm)圖8乙基軍的核磁共振譜圖始導(dǎo)就住圖9人體核磁共振成象裝置例二，核磁共振 CT。核磁共振成像（NM就像）被廣泛地用于醫(yī)療診斷上，其中最常用是平面成象，即獲取樣品平面（斷面）上的分布信息，稱作核磁共振計(jì)算機(jī)斷層成象，也就是常說的核磁共振 CT（computed topography）。就人體而言，體內(nèi)的大部分 （75%）物質(zhì)都是水，且不同組織中水的含量也不同。用核磁共振CT手段可測定生物組織中含水量分布的圖像，這實(shí)際上就是質(zhì)子密度分布的圖像。當(dāng)體內(nèi)遭受某種疾病時(shí)，其含水量分布就會(huì)發(fā)生變化，利用氫核的核磁共振就能診斷出來。圖9所示的人體成像裝置核磁共振成像系統(tǒng)由磁體系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和圖象顯示系統(tǒng)組成。磁體系統(tǒng)由主磁體、梯度線圈、墊補(bǔ)線圈和與主磁場正交的射頻線圈組成，是核磁共振發(fā)生和產(chǎn)生信號的主體部分。譜儀系統(tǒng)是產(chǎn)ana生磁共振現(xiàn)象并采用磁共振信號的裝置，主要由梯度場發(fā)生器和控制系統(tǒng)、MR信號接收和 控制等部分組成。計(jì)算機(jī)圖象重建系統(tǒng)要求配備大容量計(jì)算機(jī)和高分辨的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（log/difital c