C-NMR核磁共振谱.3

1.堆积图
一种假设三维立体图，有很多条“一维”谱 线紧密排列构成。 优点：直观、有立体感； 缺点：难找出吸收峰的频率，大风可能会隐 藏较小的吸收峰，作图耗时大。

2.等高图
类似于等高线地图，圈点数表示峰的强弱。 优点：易找出峰的频率，作图快，对结构分 析很有用； 缺点：低强度的峰可能漏画。
人体组织内的 质子存在状态
质子的运动：进动频率0 = 0
人体质子在磁场中
磁共振信号的产生
o 外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁
化矢量在晶格磁场作用下由XY平面逐渐回
复到Z轴
o 同时以射频信号的形式放出能量
o 发出的射频信号被体外线圈接受
o 经计算机处理后重建成图像
MRI应用中常用概念
差别就会平均掉。
极化转移技术
脉冲序列1
灵敏核
J
非灵敏核
检测 （非灵敏核）
脉冲序列2
极化转移(PT)是一种非常实技术 ，它用二种特殊的脉冲序列分别作 用于非灵敏核和灵敏核两种不同的 自旋体系上。通过两体系间极化强 度的转移，从而提高非灵敏核的观 测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏 度的富核处“借”到了极化强度。
4.5 谱图解析及应用
解析碳谱的步骤

(1) 根据质谱的数据或其它方面的数据求出分子式， 由此计算化合物的不饱和度。
(2) 宽带去偶谱的分析：若谱线数目等于分子式中 碳原子数目，说明分子无对称性；若谱线数目小于 碳原子数目，说明分子有一定的对称性。如果化合 物分子中碳原子数目较多时，应考虑到不同碳原子 的δc有可能偶然重合。
1973年 美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定 位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像；1974年做出 了活鼠的核磁图像。（2003年诺贝尔生物医学奖） 1977年 英国科学家Mansfield又进一步验证和改进了这种方法， 并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘 制成物体内部结构图像。（2003年诺贝尔生物医学奖）

知识扩展 1.固体核磁
固体及高粘度试样中由于各个核的相互位置比 较固定，有利于相互间能量的转移，故T2 极 小。即在固体中各个磁性核在单位时间内迅 速往返于高能态与低能态之间。其结果是使 共振吸收峰的宽度增大，分辨率降低。因此 在核磁共振分析中固体试样应先配成溶液。
溶液中分子剧烈运动使化学位移的各向异性 平均化，得到各向同性的谱图。 得到准确的化学位移，但从理论上推导分子 立体结构比较困难
(3) 比较化学位移值，确定官能团。 (4) 偏共振去偶谱的分析：根据信号峰的多 重性，确定出化合物中与碳原子相连的氢原 子数目。若此数目小于分子式中氢原子数， 二者之差值为化合物中活泼氢的原子数。


(5) 结合上述几项推出结构单元，进而组合 成若干可能的结构式。 (6) 排除不正确的结构式，找出最合理的结 构式，并且验证其正确性。
核磁共振成像技术发展简史2
1966年 瑞士物理化学家Richard Ernst研制出脉冲傅利叶 变换核磁共振谱仪(ETNMR)，获得了1991年诺贝尔 化学奖。 1971年 美国纽约州立大学的R.Damadian利用磁共振波谱 仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间 比正常组织长。
核磁共振成像技术发展简史3
T1WI
PDWI
T2WI
MRI系统的组成1

磁体 梯度线圈 射频发射器 MR信号接受器 梯度放大器 射频功率放大器 MRI谱仪 阵列处理机 计算机、图像显示和储存装置
MRI系统的组成2
Transmitter Receiver
RF
RF = Radio Frequency

上式仅适用于刚性分子。对于柔韧性分子， 因NT1不是常数，不再适用。此外也不适用于 甲基碳，因为甲基处于不受阻碍的位置时， 可以自由旋转，它的T1大于仲碳和叔碳，小 于季碳.

b. 季碳T1与邻位氢数目的关系。季碳的驰豫 效率低，T1比其它碳长很多。因此在碳谱中， 季碳的信号一般很弱，有时甚至与噪声混淆 而被忽视。季碳是不连氢的原子，但它的T1 值与邻位氢的数目有密切的关系。邻位氢的 数目越少，能量越不易转移，T1越长。

f.分子间或分子内氢键的作用。分子间或分 子内形成的氢键，都会阻碍分子的运动， 有利于驰豫，使T1变小。例如，甲酸的T1 值小于甲酸甲酯的T1值。
T1=10.1s
T1=14.5s
4.7 二维核磁共振谱
二维J分解谱（2DJ） 把化学位移与谱峰的多重性完全分开，使原 来一维谱中重叠的多重峰分散在二维平面上。

T2时间：测量横向驰豫的时间 定义：横向磁化矢量从由最大衰减至 37%所经历的驰豫时间 不同的组织T2时间不同 产生MR信号强度上的差别 图像上为灰阶的差别

T1，T2图像对比
人体正常脑组织的T1、T2驰预时间
驰预时间(ms) 脑白质 脑灰质 脑脊液 颅板 板障 T1 T2 780 90 920 100 3000 300 260 84
4.6 自旋晶格弛豫 时间（T1）
1、 自旋-晶格驰豫
自旋核与周围的粒子（固体的晶格，液 体中的分子或溶剂分子）交换能量，也称纵 向驰豫。T1

在氢核磁共振中，由于1H的弛豫时间短，分 子中各1H的弛豫时间差别甚小，反映结构信 息不明显，所以被忽略。在碳核磁共振中， 由于13C的弛豫时间长，碳核的纵向弛豫时间 Tl最长可达百秒级，所测定的数值的准确性 高，反映分子结构、分子运动的信息明显。
驰豫：指磁化矢量恢复到平衡态的过程 磁化矢量越大，MRI探测到的信号越强

MRI应用中常用概念T1时间


T1时间：测量纵向驰豫的时间
定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平衡 态的63%所经历的驰豫时间 不同的组织T1时间不同

产生MR信号强度上的差别
图像上为灰阶的差别
MRI应用中常用概念T2时间
全球已经大约有2.2万台MRI…
2003年
Lauterbur和Mansfield获得2003年诺贝尔生物医学 奖
MRI成像基本原理1
1.
自然状态下的原子核

含奇数质子的原子核均在其自旋(spin)过程中产生自旋 磁动量，即磁矩以矢量描述； 核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定MR信号的敏 感性；
Finger tapping experiment
MRI应用于医学的优势

利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平 提供诊断信息；


任意截面成像；
软组织图象更出色；
不受骨伪影的影响；

c. 分子运动的各向异性。某些结构的分子， 由于有各向异性运动，可使同类碳的T1产生 差异，因此T1值可用于区分同类碳的位置。

以单取代苯为例。 根据取代基R的质量、极性、和体积大小等， 沿x轴的转动将比沿y轴快2～20倍。因此， 在单取代苯中，对位碳比邻、间位碳运动 慢，驰豫快，所以对位碳的T1较邻、间位 碳短。当R为硝基的硝基苯中，对位碳的 T1为4.8s，邻、间位碳为6.9s.

d. 空间位阻。当空间位阻妨碍甲基旋转，使 甲基旋转变慢，则甲基的驰豫加快，T1变小。 因此，测定分子中各个甲基的T1，可以获得 甲基邻近立体结构的信息，并据此区分立体 异构体。

e. 分子的链柔顺性。开链烷烃分子的端甲基碳 因旋转快，驰豫慢，T1大。中间碳旋转慢，T1小。 例如正葵烷
CH3－CH2－CH2－CH2－CH2－CH2－CH2－CH2－CH2－CH3 T1/s 8.76 6.64 5.71 4.95 4.36
谱线宽化，分辨率降低
魔角旋转技术
固体中自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其
他精细的谱线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场
中的取向有关，其因子是(3cos2β-1)，如果有一种方法使 β=θ=54.44°（魔角），则3cos2β-1=0，相互作用减小， 达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的 旋转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时β与θ的
B0
COMPUTER





平扫（T1WI、T2WI、PDWI） 增强（T1WI） 动态增强（Dynamic MR） 磁共振血管造影（MRA） 脂肪抑制成像（STIR) 水抑制成像（FLAIR） 水成像（MRCP、MRU、MRM） 灌注成像（Perfusion） 弥散成像（Diffusion） 功能成像（function MR）

二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命 性的变化，它将挤在一维谱中的谱线在二维 空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更 多的信息。
二维核磁共振的脉冲序列
预备期 发展期 混合期 探测期
S(t1,t2)
S(t1,2)
S(1,2)
t1 F(t2)
F(t1)
t2
2
二维谱示意图
wenku.baidu.com
1
2D 在研究更大分子体系时，谱线也出现了严重的重叠，为 了解决这一问题，人们将 2D 推广到 3D 甚至多维。
1978年 1980年
MRI发展的重要里程碑
英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；
第一副人体胸腹部MR图像产生，MRI设备商业 化；
1984年
美国FDA批准核磁共振使用于临床；
MRI发展的重要里程碑
1986年
中国成立安科公司；
1989年
中国开发出第一台MRI；
1998年
世界磁共振成像年；
2002年
四、13C NMR谱图
1.C7H14O
1
q 4H
13
H
4H
t t
6H
C
S
2.3
1.5
0.9
210
43
18 12
13C
NMR谱图2
13
2.C9H10O
1
d
dd t q
H
S
C
S
7.2
3.6 2.1
206 140 120
53 30
13C
NMR谱图3
例3.化合物C12H26，根据13C NMR谱图推断其结构。 q q d t s
60
50
40
30
20
CH 3 H2 H H2 CH 3 H3C C C C C C CH 3 CH 3 CH 3 CH 3
13C
NMR谱图4
13C
NMR谱图4
d 13 C dd d s s
4.C7H7Br
1
H
q
7.0
2.3
140
120
20
例5 C6H12O2
例6

某含氮未知化合物，质谱显示分子离子峰 m/z209，元素分析结果为C：57.4%，H： 5.3% ，C：6.7%， 13CNMR谱如下图所示。
(1) T1与分子结构的关系。

对于有机小分子，可以根据偶合碳谱或偏共 振去偶碳谱来区分伯、仲、叔、季碳。但对 大分子，因分子中甲基、亚甲基、次甲基较 多，谱线密集，裂分峰相互重叠,使偶合碳谱 变得很复杂，难以分析。此时，可借助于T1 值的大小来区分。

a. T1与碳上连氢数目有关。根据自旋—晶格 弛豫机理理论推导，实验也证明 T1＝常数／N 式中，N为碳上连氢数目。由此式可知，连 氢数目多的碳，弛豫快，T1小。季碳不连氢， 所以T1最长。各类碳T1的大小顺序为： T1(仲碳) <T1(叔碳) <T1(季碳) ≈T1(羰基碳)
磁共振检查技术
3D - MRA
后交通支动脉瘤
3D-CEMRA的时间分辨率（胸腹部）
磁共振胰胆管造影 （MRCP） 3D-重T2WI （水成像）
脑功能成像fMRI
脑功能成像的临床应用
BOLD&T1W

BOLD&SAS&MRA
Finger tapping Activate/Rest curve of 40 ms each Glioma patient, before surgical operation

在过去10 年中，NMR谱在研究溶液及 固体状态的材料结构中取得了巨大的进展。
可得到各向异性的谱图
但谱线较宽，分辨率低
固体高分辨核磁共振测定新技术
谱线窄化技术
魔角旋转 MAS 交叉极化 CP 提高核的灵敏度 高功率去偶—消除异核偶极相互作用 多脉冲技术 四极核测定的高分辨技术
2.磁共振成像
Magnetic Resonance Imaging MRI
Nuclear Magnetic Resonance Imaging
首字母缩写
:NMRI
为了和核技术及核的放射性危害区分开来，临床医生 建议去掉N，简称为磁共振成像（
MRI）
核磁共振成像技术发展简史1
1946年 美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福大学的 F.Bloch 领导的两个研究小组各自独立地发现了 磁共振现象。 1952年 Purcell 和 Bloch 共同获得诺贝尔物理学奖；