NMR介绍

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1944年诺贝尔物理学奖
拉比(1898～1988) 美国物理学家 因为测定原子核磁性的共振方法，拉比获得1944诺贝尔 物理学奖，时年46岁。 根据他的理论，50年代诞生了 核磁共振仪。
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1952年诺贝尔物理学奖
布洛赫（1905~1983)， 美国斯坦福大学
帕 赛 尔 （1912~1997)， 美国哈佛大学
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最 早 的
MRI仪器的雏形
MRI MRI 仪 器
肺部的MRI影像 (Rinck et al.; 1982)
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早 期 的 磁 共 振 成 像 诊 断 仪
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现 代 磁 共 振 成 像 诊 断 仪
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医院做医学磁共振成像诊断
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医学磁共振成像谱仪(开放式)
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人 体 各 部 位 的 磁 共 振 成 像
因为发展了精确测量核磁的新方法，以 及用此法所得到的一些发现，两人共同 获得了1952年诺贝尔物理学奖。
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1991年诺贝尔化学奖
恩斯特（1933~ ），瑞士苏黎世联邦技术学院 恩斯特由于“在高分辨率核磁共振波谱学研 究中做出的划时代的贡献”，荣获1991年诺 贝尔化学奖 36
1965年，Ernst在Varian公司做实验时的情景
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NMR的发展史
1939年Rabi发现氢分子束吸收特定频率的射频而偏转，为核 磁共振的发现奠定了基础，获得1944年诺贝尔诺物理学奖。 1946年美国哈佛大学的Purcell和史坦福大学的Bloch各自独 立观察到NMR现象，1952年两人因此获得诺贝尔诺物理学 奖。 1953年美国Varian研制成功世界第一台商品化NMR谱仪 （频率30MHz，磁场7000高斯，0.7特斯拉） 1964年Varian公司研制出世界第一台超导磁场的NMR谱仪 （200MHz，4.74T） 1969年Varian公司生产出第一台傅立叶变换NMR谱仪 （100M，2.35T）
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NMR仪器简介
射频发生器 脉冲 门
磁
N
探头
S 体
数字计算机
FT
模数转换A/D
接收机
模数转换A/D
脉冲傅立叶变换NMR谱仪机构示意图
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美国Varian公司生 Varian 产的工作频率900 MHz，21.1T超导 核磁共振谱仪，图 为超导磁体。
http://www.varianinc.com/nmr/900/index.html
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左图：Wuthrich 和他的 研究小组
Wuthrich 在 NMR 试管 中准备蛋白质溶液 Wuthrich 实验室谱仪：800MHz换900MHz 39
2003年诺贝尔生理学或医学奖
劳特布尔Lauterbur （1929~) 曼斯菲尔德Mansfield （1933~) 美国伊利诺伊大学 英国诺丁汉大学 两位获奖者在70年代提出利用梯度磁场以获得二维的核磁共 振图像及其改进方法 这些发现导致了在临床诊断和医学研究上获得突破的磁共振 成像仪的出现。MRI的意义在于一改过去仅从组织形态学角 度研究疾病，开始利用分子物理学和组织化学的信息 40
因此，提高磁场强度和降低温度可增加两个能态核子 数的差额，从而提高观察NMR信号的灵敏度。温度不 可能无限降低，因而，提高磁场强度成了我们的目标。 NMR也随着磁场强度的提高在不断地发展。这是其它 谱学所没有，而正是核磁共振的生命力所在。 3
核磁共振能做什么？
• • • • • • • 化学 生物 医学 物理 材料 地质 信息科学 4
生物研究
左上图：德国研究船“ 左上图：德国研究船“Poarstern”号 号 右上图： 右上图：最近发现的极地鱼种 左下图： 左下图：磁共振成像再现了鱼的形态 10 右下图： 右下图：磁共振波谱分析其适应特殊环境的生化性能
MRI is used for imaging of all organs in the body
灵长类动物磁共振功能成像
左排：透明皮肤下不同方位长尾猿的大脑图像 中排和右排：视觉刺激后脑兴奋区
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核磁共振测井
美国阿特拉斯公司使用MRIL仪器在阿根廷测井服 务平均每月达 2 0～ 40井次之多。其地质效果明显。 例如在北海某地区低电阻率巨厚砂泥岩层，常规 组合测井解释为水层，进行 MRIL仪器测井后认为 孔隙流体水大部分为束缚水，判定为油层，经射 22 孔后证实为一高产油井。
胸部 颈部 头部
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高 速 成 ： 像
血 管 造 影 术 成 像
呼 吸 时 的 冠 状 动 脉
MRI
心 肌 灌 注 成 像
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脑科学——功能成像
戊四唑药物造成小鼠癫痫病的fMRI
上排：注射前安静状态时的四幅图像 中排：癫痫发作之前的假想诱发 下图：癫痫全面发作时的功能磁共振成像图 20
脑科学——功能成像
量子计算机
IBM 阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界 上最复杂的量子计算机运算。他们在试管中将整个经过特 殊设计的分子制作成一个7量子位（qubit）量子计算机， 完成15的因数分解。 量子计算机能够在当今的许多数据安全加密系统的核心部 分处理简单的数学问题。 ——《Nature》杂志2001年12月20日
在早期的核磁共振研究中，中国 人做了什么贡献？
1950年，普鲁克特（W. Proctor）和中国的虞福春教授 发现了化学位移和J耦合现象，使NMR技术进入了化 学领域，为化学家研究分子结构及其动力学方面提供 了前所未有的直接手段。
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Байду номын сангаас
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NMR History
• 2002年瑞士科学家K. Wuthrich获得诺贝尔化 学奖——主要贡献：二维NMR技术最初仅限 于研究小分子，难以区分大分子不同核的共 振，特别是生物分子的NMR信号严重重叠， 无法分辨共振峰的原子核。经过深入研究及 改进， Wuthrich解决了这个难点，使二维 NMR技术有效应用于研究生物分子结构，并 测定出溶液中生物大分子的三维结构。
诺贝尔获奖者中对核磁共振做出贡献的有12人
1944年，拉比（I. Rabi ） 1952年，布洛赫（F. Bloch）和帕赛尔（E. Purcell） 1955年，库什（P. Kusch） 1955年，兰姆（W. Lamb） 1964年，汤斯（C. Townes） 1966年，卡斯特勒（A. Kastler） 1977年，范弗莱克（J. van Vleck） 1981年，布洛姆伯根（N. Bloembergen） 1983年，陶布（H. Taube） 1989年，拉姆齐（N. Ramsey） 1991年，恩斯特（R. Ernst）
核磁共振的简单介绍
核磁共振理论
• 核磁共振 NMR Nuclear Magnetic Resonance,
µ
核：具有磁性的核 磁：外加静磁场 共振：核吸收射频能，能态跃迁
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核磁共振理论
• 低能态的核子数(N1)比高低能态的核子数 (N2)多一点点：
N1 − N 2 ∆E 2 µH = = ≈ 1×10 −5 N1 kT kT
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做液体NMR实验的探头
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做固体NMR实验CP/MAS的探头
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核磁共振谱仪的机柜
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FT变换及控制台的Sun工作站
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“1946年，核磁共振现象被科学家发现，70年代以来，核磁 32 共振技术与图象重建技术相结合，形成了核磁共振成像技 术。”
在核磁共振领域，共有5次诺贝尔奖
1944年，拉比（I. Rabi ） 1952年，布洛赫（F. Bloch）和帕赛尔（E. Purcell） 1991年，恩斯特（R. Ernst） 2002, 2003
化学结构鉴定
C60－足球烯（1996年诺贝尔奖） 60个碳都是等价的，固体高分辨13 C核磁共振测出 的一条单峰，便给出了无可辩驳的证据。
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一维核磁共振谱
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二维核磁共振谱
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1H 1H
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13C
F1 (ppm)
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三维核磁共振谱
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生 物 化 学 上 的 应 用
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蝾螈纤维生长因子蛋白质与药物相互作用
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NMR的发展史
1971年，比利时Jeener首次提出关于二维谱的原理和实验方 法，为二维谱的创始人。 1976年，R.R. Ernst等人确立了二维谱的理论基础，使之成 为近代NMR中应用广泛的一种新技术。Ernst获得1991年诺 贝尔化学奖。 1979年，德国Bruker公司生产出第一台500MHz超导NMR谱 仪。 1977年，美国Damadian研制成功第一台人体核磁共振断层 成像仪（NMR-CT）。 2000年，美国Varian公司生产出第一台900MHz的超导NMR 谱仪。