核磁共振技术新进展.doc

核磁共振技术的新进展一、核磁共振技术的简介核磁共振技术可以直接研究溶液和活细胞中相对分子质量较小(20，000 道尔顿以下)的蛋白质、核酸以及其它分子的结构， 而不损伤细胞。二、核磁共振的工作原理1、核磁共振基本原理：核磁共振的基本原理是：原子核有自旋运动，在恒定的磁场中，自旋的原子核将绕外加磁场作回旋转动， 叫进动 (precession)。进动有一定的频率，它与所加磁场的强度成正比。如在此基础上再加一个固定频率的电磁波，并调节外加磁场的强度，使进动频率与电磁波频率相同。这时原子核进动与电磁波产生共振，叫核磁共振。核磁共振时，原子核吸收电磁波的能量，记录下的吸收曲线就是核磁共振谱 (NMR-spectrum)。由于不同分子中原子核的化学环境不同，将会有不同的共振频率，产生不同的共振谱。记录这种波谱即可判断该原子在分子中所处的位置及相对数目， 用以进行定量分析及分子量的测定，并对有机化合物进行结构分析。 （核磁共振谱）2、原子核的自旋核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可 以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，大致分为三种情况，如下表。分类质量数原子序数自旋量子数lNMR信号I偶数偶数0无II偶数奇数1,2,3，4,5,6,7，（I为整数）有III奇数奇数或偶数0.5,1.5,2.5,3.5，4.5,（I为半整数）有I值为零的原子核可以看做是一种非自旋的球体，I为1/2的原子核可以看做是一种电荷分 布均匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋 球体。I大于1/2的原子核可以看做是一种电荷分布不均匀的自旋椭球体。3、核磁共振现象原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩（）。=PY式中，P是角动量矩，是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角动量矩之间的比值，因此是各种核的特征常数。当自旋核处于磁感应强度为的外磁场中时，除自旋外，还会绕B0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动（process）。自旋核进动的角速度0与外磁场感应强度B0成正比，比例常数即为磁旋比。式中0是进动频率。0=20=B0原子核在无外磁场中的运动情况如下图，微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的（方向量子化），自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+ l个取向，每一个取向都可以 用一个自旋磁盘子数m来表示，m与I之间的关系是m=I,I-1,I-2-I原子核在无外磁场中的运动情况原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，I值为1/2的核在外磁场作用下只有两种取向，各相当于m=1/2 和m=-1/2，这两种状态之间的能量差E值为E=hB0/2一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收E的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核 吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当频率为射的射频照射自旋体系时，由于该射频的能量E射=h射，因此核磁共振要求的条件为h v射=E（即2射=射=B0）目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振 (Proton Magnetic Resonance），简称 PMR，也表示为1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）简称 CMR，也表示为13C-NMR。三、核磁共振的发展史1930年代，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1950年度诺贝尔物理学奖。四、核磁共振仪目前使用的核磁共振仪有连续波（CN)及脉冲傅里叶（PFT）变换两种形式。连续波核磁共 振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器、放大器及记录仪等组成（见下图）。磁铁用来产生磁 场，主要有三种：永久磁铁，电磁铁磁感应强度可高达24000 Gs(2.4 T)，超导磁铁磁感应强度可高达190000 Gs(19 T)。频率高的仪器，分辨率好，灵敏度高，图谱简单易于分析。磁铁上 备有扫描线圈，用它来保证磁铁产生的磁场均匀，并能在一个较窄的范围内连续精确变化。射频 发射器用来产生固定频率的电磁辐射波检测器和放大器用来检测和放大共振信号。记录仪将 共振信号绘制成共振图谱。20世纪70年代中期出现了脉冲傅里叶核磁共振仪，它的出现使13C核磁共振的研究得以迅速开展。五、核磁共振技术的新进展核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance即NMR)是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。在前面对核磁共振的简介中，我们有介绍到核磁共振技术可以直接研究溶液和活细胞中相对分子质量较小(20，000 道尔顿以下)的蛋白质、核酸以及其它分子的结构， 而不损伤细胞。因为它并不损伤细胞，该技术作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域。在医学方面，我们可以采用核磁共振技术，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接提供横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生CT检测中的伪影;不需注射造影剂;无电离辐射，对机体没有不良影响。核磁共振技术所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于核磁共振技术不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。核磁共振技术可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。对医生研究病人的病情很方便，对病人这一方伤害也相对要小一些。但是，核磁共振技术有一个缺点，那就是在采取该技术是检测时，被检测方不可以带有金属类物质。虽然有不足，但对医学界的影响不可估量。在分子级研究上，核磁共振技术同样扮演着不可或缺的角色。化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，将其用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术不断发展，从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，人们甚至发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。由上面所述，我们不难看出其实核磁共振技术的发展可以让科学家们更进一步贴近分子，科学家们得到的讯息也多，对我们社会的发展和对科学的推进有积极作用。在高分子化学领域，运用核磁共振技术对碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等；在金属陶瓷业中，我们可以通过核磁共振对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的砂眼，而且该技术对瓷器基本无害处。对产出高质量的产品有保障。在火箭燃料中，技术人员可以借用核磁共振技术探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况。在石油化学方面，对核磁共振技术的运用主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。人脑是如何思维的对我们来说一直是神秘的。而且它也是科学家们重点关注对象之一。而利用核磁共振技术的脑功能成像对我们在活体和整体水平上研究人的思维有推进作用。快速扫描技术的研究与应用，将使经典核磁共振技术成像方法扫描病人的时间由十几分钟缩短至几毫秒，不仅如此，它还可以使因器官运动对图像造成的影响忽略不计；核磁共振技术血流成像，利用流空效应使核磁共振技术图像上把血管的形态鲜明地呈现出来，使测量血管中血液的流向和流速成为可能；核磁共振波谱分析可利用高磁场实现人体局部组织的波谱分析技术，从而增加帮助诊断的信息；脑功能成像，利用高磁场共振成像研究脑的功能及其发生机制是脑科学研究中极其重要的一个关注方向。所有