核磁共振技术及应用

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• • • • • • • • 大分子化学结构的分析
下面主要介绍一下NMR-CT
核磁共振CT(computed tomography)是获取样品平 面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断 层成象，也就是切片扫描方式。核磁共振CT手段可 测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是 质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其 含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织 中的含水量发生变化，所以，通过水含量分布的情
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这是核ຫໍສະໝຸດ Baidu共振机的原理图
注意，这里不同于上面的实验，我 们所外加的是一个梯度场!
• 均匀的外加磁场B0内所有同类核的共振频
率都相同，无法区分它们的空间位置，为 此必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性 梯度场B(x, y, z)，其方向与均匀场B0的方 向一致，大小数值是空间坐标的线性函数， 这样就可以实现不同位置共振信号的空间 编码 。
Nuclear Magnetic Resonance CT(核磁共振CT )
概
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述
1924年，泡利（W· Pauli）在研究某些光谱的精细结构时，提 出了原子核具有自旋角动量和磁矩。当时由于受光学仪器分辨本 领的限制，妨碍了对核磁矩的精确测量。1946年，珀塞尔 （Ｅ· Ｍ· Purcell）和布洛赫（F· Bloch）分别应用共振吸收法和核 感应法实现了核磁共振，从而大大地提高了核磁矩的测量精度。 因而珀塞尔和布洛赫获得了1952年度的诺贝尔物理学奖。 • 核磁共振已在众多的领域中有了十分广泛的应用。早期，核磁 共振主要是用于对和结构和性质的研究，如测量和磁矩、电四极 矩及核自旋等，后来则广泛用于分子（如有机分子、生物大分子 等）组成和结构的分析、生物组织与活体组织的分析、病理分析、 医疗诊断、产品无损检测等方面，并可用来观测一些动态过程 （如化学反应、生化过程等）的变化。从技术手段上来说，核磁 共振的应用主要由两方面，即核磁共振波谱的应用以及近年发展 起来的核磁共振成象(MRI)的应用.而这里的NMR-CT采用的既是 MRI(Magnetic Resonance Imaging)技术。
傅立叶(Fourier)变换
• 时域信号 F变换 谱S（t1,t2,…）
频域信号 S(1, 2,…) 频域
人体处于静磁场中，施加射频波，就会激发人 体的氢核发生共振，获取能量。停止发射射频 波，原子经过豫弛恢复平衡状态。人体在静磁 场中，经过射频和梯度磁场的扫描，尽心了一 系列容积单元的测量，并且从被查体的大区域 中寄存核磁共振信号，通过放大、模数（A/D） 转换，用高速及算计处理，经过傅立叶变换， 解读出既定的各个平面上的信息，例如质子密 度、豫弛时间，再经过数模（D/A)转换，利用 窗口技术、黑白灰度等级的换算，变成视频信 号，就可以在监视器上显示出核磁共振图像。
况就可以把病变部位找出来。
核磁共振CT与X光CT
• CT是计算机化层分析技术的简称(平时一般谈到
CT指的都是X光CT)核磁共振层析成像比目前应用 的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点。 例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分布 图像，而核磁共振层析成像却是成像物的原子核 密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的 密度分布图像，但氢元素是构成人体和生物体的 主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得到 的氢元素分布图像，要比从X射线密度分布图像得 到人体和生物体内的更多信息 。
分子结构的测定 化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用 动力学核磁研究 生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质——脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究 生命组织研究中的应用 生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析 涂料分析 农药鉴定 食品分析 药品鉴定
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家
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1944年 1952年 1952年 1955年 1955年 1964年 1966年 1977年 1981年 1983年 1989年 1991年 I.Rabi F.Block E.M.Purcell W.E.Lamb P.Kusch C.H.Townes A.Kastler J.H.Van Vleck N.Bloembergen H.Taube N.F.Ramsey R.R.Ernst
优点是工作稳定度 高，噪音低，但漏电流 相位不易调整。常用在 商业波谱仪
• 平衡法
优点是频率稳定好，噪 音低，缺点是频率调谐范围 不够宽。常用于灵敏度和分 辨力高的波谱仪
核磁共振的一些实际的应用
• • • • • • • • • 质子密度成像 • • T1T2成像 • 化学位移成像 • 其它核的成像 • 指定部位的高分辨成像 • 元素的定量分析 • 有机化合物的结构解析 • 表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定 •
(1) 磁场B0固定，让射频场B1的频 率连续变化通过共振区域，当满足 = 0 = 0时，出现共振吸收现象，叫做 扫频法； (2) 把射频场B1频率固定，而让磁 场Ｂ。连续变化通过共振区域，实现共 振吸收。称为扫场法。
检测共振信号的方法
• 吸收法 • 感应法
优点是比较简单，样品 不易饱和，缺点是振荡频率 的稳定性较差，噪音电平较 高。一般只用于宽谱的波谱 仪与测场仪
核磁共振原理
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当 加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既塞曼效应。
在外磁场B0中塞曼分裂图：
共振条件： = 0 = 0
实现核磁共振的两种方法
a．扫场法: 改变0 b．扫频法: 改变
• 如图所示。永久磁铁产生均匀的稳恒磁场B0，磁场强
度可以调节。磁极上装有调制线圈，提供一个弱的调 制磁场BM，进行扫场，其扫场大小可以调节。核磁共 振探头提供射频场，且频率可调。