科学与技术的关系.ppt

哲学与自然科学讲座 周建威研究员 Ph D 贵州师范大学 科学与技术的关系 以核磁共振技术发展为例 一 科学与技术的关系 本章结束 本章开始 上一节 下一节 AHISTORYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY 什么是科学什么是技术科学与技术的关系 本章结束 本章开始 上一节 下一节 AHISTORYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY 什么是科学科学的三种定义 1 科学是系统化了的自然知识 理论自然科学史 2 科学是生产力 技术史 3 科学是一种社会活动 科学社会史 科学 在人类历史上是非常晚近的东西 Scientist的英文单词是在1833年的英国科学促进会上由威廉 休厄尔提议仿照Artist创造的 之前科学家称为 哲学家 例如 牛顿 自然哲学的数学原理 道尔顿 化学哲学新系统 博士学位PhilosophiaeDoctor Ph D 科学的两个来源 好奇心 把握一个整体世界观的要求 科学史上的哲学家传统改造自然的技艺和能力 科学史上的工匠传统 本章结束 本章开始 上一节 下一节 AHISTORYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY 本章结束 本章开始 上一节 下一节 AHISTORYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY 科学与技术的关系历史上 科学往往是被技术的进步推动的 荷兰眼镜制造商汉斯 利柏希1608年发明的望远镜直接推动了天文学的发展 使伽利略发现了太阳黑子 发现月球上的山脉 以及木星的卫星等 显微镜是荷兰商人列文虎克发明的 他发现了细菌 原生动物 红血球 毛细血管等 直接产生近代生理学 主题 科学研究的进步使人们更深入的了解世界 进而发展出技术 从而利用自然 改造自然 技术的发展和进步 又推动科学研究进一步的深入 再产生更高级的技术 然后是更深入的研究 如此循环不已 以核磁共振技术的发展与科学研究发展的关系为例 科学研究量子力学的理论研究预告了波尔的原子核模型应该有四个量子数 主量子数n角量子数L磁量子数ms自旋量子数I如果量子理论正确 自旋量子数I就应该可以在磁场中处于不同的能级状态 产生能级裂分 塞曼分裂 科学研究 能级分裂后 原子核可以吸收电磁波能量而产生能级跃迁 换句话说 量子力学预告了磁场中的原子核会产生吸收电磁波的实验现象 核磁共振现象 为证实量子力学正确与否 世界各地的物理实验室开始了搜寻核磁共振现象的实验 核磁共振在波谱分析中的定位 穆斯堡尔谱X 光分析仪电子探针电子能谱俄歇电子能谱紫外光谱可见光谱荧光光谱快速荧光光谱红外光谱拉曼光谱微波转动谱电子自旋共振谱核磁共振谱 无线电波 m km 厘米波 毫米波 1 1000pm 400nm 750nm 750 400nm 10 100keV 核能级 核外电子能级 分子轨道能级 分子振动能级 分子转动能级 电子自旋 核自旋 皮秒 飞秒 射线 x 射线 紫外线 可见光 红外线 1945年 斯坦福大学博士研究生Bloch 发现了水中氢的NMR吸收信号 从此开始了一门新学科 核磁共振波谱学 物理学家证实了量子力学理论后 化学家发现了NMR波谱中的精细结构 吸收峰的位置与核的化学环境有关 称为 化学位移 可以完美的表征分子结构 巨大的市场需求 推动了NMR谱仪的商品化研究 更好的仪器需要更高的磁场 推动了低温超导磁场和计算机软件的研究 现代NMR谱仪诞生了 技术发展 科学研究 生物学家发现现代核磁共振方法可以研究蛋白质大分子的结构 由此推动了生命科学的快速发展 技术发展与科学研究 计算机技术的发展 使NMR信号在样品空间 X Y Z 可以准确定位 最后由软件合成图象 医生可以不开刀观察人体内部器官 核磁共振成象技术诞生 医学科学研究从此有了一个强有力的工具 核磁共振波谱学介绍 现代科学技术的发展 完全建立在电子技术和计算机技术的基础上 核磁共振谱仪 硬件 大型计算机及输出设备 各种专用解谱软件 高速计算机接口 高质量的线性放大器 非常稳定的频率源 频率综合器 低噪声前置放大器 高灵敏探头 超导强磁场 稳定锁场反馈系统 匀场系统 大功率脉冲放大器 核磁共振谱仪的操作平台 VarianInfinityplus核磁谱仪的控制计算机柜 六百兆超导磁体探头从下面中心放入 样品管从上面用气流托住 下降进入探头中 超导磁体的剖图外壳内是真空保温夹层 可储存液氮 97K 液氮中浸泡的容器储存液氦 4K 超导体线圈浸泡在液氦中 样品置放在线圈中心 磁场最强 超导铜包铌钛合金线圈19km 中空导筒 superconductingmagnetwireismadeofacopper cladniobium titaniumalloy containsappro ximately19kmofsuperconduc tingwire Varian600兆 54mm 液体探头 样品管 5mm 放在上端内 NMR探头一般有两种直径 54mm和89mm 探头的内部结构 控制软件Spinsight界面 FID信号 核磁共振波谱的应用 液体谱固体谱医学成象微成象动态核极化低场谱仪石油勘探量子计算机 核磁共振波谱的应用 一 一 液体谱 测定化学分子结构 一维谱 二维谱 化学动力学研究 扩散现象研究 量子磁化矢量在射频脉冲作用下的演化蛋白质结构测定量子计算机研究 液体探头和样品管 5mm 一维谱编辑技术可区分CH CH2 CH3这在研究煤及石油固体样品时特别有用 碳 氢相关二维谱图F1是H 化学位移 F2是C 化学位移 大分子蛋白质的NMR二维谱 唯一可以确定分子在溶液中的三维立体结构的分析方法 核磁共振波谱的应用 二 二 固体谱 核磁共振中固体与液体样品的最大不同是固体中有强烈的偶极 偶极相互作用和化学位移各向异性 而液体中分子的自由快速运动使偶极 偶极相互作用平均为零 因此化学位移各向同性 消除异核之间的偶极 偶极相互作用 可以用大功率去偶的方法 消除固体的化学位移各向异性相互作用 可以用魔角旋转的方法 MAS探头的定子 高压气体驱动转子旋转 固体探头所需要的旋转速度和温度调节装置 各种MAS探头 固体探头外貌 铅笔式转子 中空 内放样品 样品位置 Varian公司的铅笔式转子 工作转速为10 20kHz 最高转速可达35kHz 每秒钟3万5千转 转子工作曲线转速为1万3千转 秒 固体核磁的应用 各种固体材料的测定 与液体谱所有功能相同 固相中各种化学反应的监测量子理论的各种直接验证发展的各种技术可用在成象原理上微量样品测定要用MAS技术 核磁共振波谱的应用 三 成象 医学成象动物研究成象微成象 MagneticResonanceImaging MRI 核磁成象原理 外加一梯度场 使磁场中仅有空间某一体积单元有适合的磁场强度产生信号 其余的信号均被梯度场发散抑制 由计算机控制逐点改变梯度场强 可以获得整个空间的各定域谱强度与空间位置的关系 计算机重新计算成象 重造 这就是最简单的点成象原理 成象质量不错 就是成象速度较慢 另外还有其他线成象 面成象 快速成象 等方法 每空间单元 均有一对应信号 强度和相位 计算机据此可复原出一个空间立体象 并可在任意剖面重新形成各种剖面象 MRI成象示意图 高磁场成象研究 高场可能对人体有危害 但高场可以得到高分辨率 只能对动物进行高场研究 对动物还可任意改变其他成象条件 以研究成象原理 发展成象技术 核磁共振成象仪 动物实验 BrukerBiospec47 40V核磁成象仪 动物实验 Oxford生产的各种超导成象磁体 鼠笼式成象线圈 鼠笼式线圈的射频场分布 鱼头的不同横断面成象 TumorGrowthAnalysisMouseBody Respirationtriggered125mm 1mmslice FOV3 2cm 256 2Matrix 2Averages TE 15ms TR 5s Ttot 5min 控制呼吸周期成象 小鼠心脏成象 TheMonkey sResponsetoFacePresentations 猴子脑功能成象 ThisisthefMRIsignalintensitychanges againstanfMRIstatistical scoremap 20intensitychangescanbeobserved BioSpec 47 40V 磁共振波谱技术的应用 医学成象 医学核磁共振成象 自从核磁共振成象实现以后 由于对人体没有任何伤害而迅速地应用在人体医学上 虽然没有发现任何证据证明强磁场对人体的伤害 但为安全起见 人体NMR成象仪仍工作在较低场强下 一般1 5T 少数为4 7T 现在医学MRI已经发展成为专门的分支学科 Bruker公司生产的医用核磁共振仪Whole body 不同厂商生产的人体成象仪各有千秋 用于人体成象的线圈 四肢 腰部 胸部 身体躯干 头部 各种人体成象线圈 人体头部的核磁共振成象 人体颈部的血管造影核磁共振成象 形成血管发亮的原因是在血管中加入了弛豫剂 使NMR信号增强 另一方面由于血液流动 使信号不易饱和 头部的血管成象 其它部位信号压制 人体腰部的脊椎成象 亮处为含氢的组织 关节成象 HumanBrainNeuroImagingat8TeslaACQMatrix2kx2k FOV20cmx20cm TR750ms TE17ms FlipAngle45 td ScanTime26min GradientEcho Imageresolution 0 1mmx0 1mmx2mm 人体大脑神经成象 fMRI 脑功能成象 MRI CT与X rayCT MRI对人体无伤害对软组织分辨度高 尤其能分辨肿瘤组织有多种成象方法 T1 T2 化学位移 密度 流动增强 成象速度较慢设备昂贵 技术复杂 X rayCT对人体有伤害对骨骼分辨高 软组织分辨低吸收强度成象成象速度快设备比较便宜 核磁共振成像的大脑研究应用 测谎新方法记忆学习生理反应运动控制感官识别思维过程存在与意识 NMR赌瘾研究 美国 时代 周刊2005年8月1日一期文章 赌博带来的兴奋感像任何毒品一样令人着迷 一千年来 人们把赌博看成是道德问题 一直到最近才把它当作一种疾病来对待 科学家希望了解赌博的危害能不能受到限制 嗜赌成性的人与偶尔为之者有什么分别 人格 大脑中的化学过程以及环境对赌博者有什么影响 在没有化学物质推动的情况下 一种行为能让人上瘾吗 NMR赌瘾研究 在没有化学物质推动的情况下 一种行为能让人上瘾吗 研究人员对赌博的研究怀有特殊兴趣是因为它能揭示 瘾 到底是怎么回事 理解毒品和酒精上瘾的困难在于一旦摄人化学制剂 你的大脑活动就受到了干扰 但是赌博却是一种纯粹的上瘾方式 NMR赌瘾研究 科学家利用功能核磁共振成像技术观察赌博者赌博时的大脑状况 2001年在哈佛医学院 研究人员对正在参与轮盘赌的实验对象进行了监视 主要观察实验对象大脑中处理多巴胺的几个区域 多巴胺是一种服用毒品和酒精过程中人体内释放的能引起愉悦感觉的化学物质 肯定的是 实验对象在赌博的时候 他们大脑中同多巴胺有关的区域兴奋了起来 不仅他们赢的时候 而且他们只是有希望会赢的时候 他们大脑中的这些区域就会活跃起来 这同吸毒者和酗酒者表现出来的期望和满足的模式完全一样 NMR赌瘾研究 这项研究工作意外得到了证据支持 最近明尼苏达州一个诊所的研究人员发现 11位患有帕金森病的病人在接受能提高多巴胺水平的药物治疗后开始变得嗜赌 11人中有6人还开始变得嗜食 酗酒 乱花钱 生活无度 降低病人的多巴胺水平后 恢复正常 人的行为和意识问题 存在与意识是哲学研究中永恒的主题 存在决定意识 还是 意识决定存在 是区别唯物主义认识论或唯心主义认识论的分水岭 但是意识本身是什么 意识是怎样形成的 意识能否独立存在 行为和意识谁为主导 核磁共振成象技术必将极大地推动哲学上对人的认识过程的认识 世界对核磁共振波谱学的承认 历史上 已经有三次NobelPrize授予对核磁共振波谱学做出杰出贡献的科学家 1952年诺贝尔物理学奖 Bloch1991年诺贝尔生化学奖 Ernst2003年诺贝尔生物或医学奖Lauterbur Mansfield 轻松一下逛逛NMR实验室吧