核磁共振（NMR）技术及其应用

核磁共振 NMR 技术及其应用 生命科学学院生物工程2003级031404003王丹 核磁共振技术及其应用 核磁共振技术原理核磁共振技术应用 核磁共振技术原理 概述 核磁共振 NuclearMagneticResonance简称NMR 是交变磁场与物质相互作用的一种物理现象 1946年由美国斯坦福大学布洛赫 F Block 和哈佛大学珀赛尔 E M Purcell 各自独立发现的 两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖 50多年来 核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科 核磁共振的发现具有十分重要的意义 不仅为量子力学的基本原理提供了直接的验证 而且为多个学科领域的研究提供了一种不可或缺的分析与测量手段 两个学科分支 核磁共振波谱 NuclearMagneticResonanceSpectroscopy 基于化学位移理论发展起来的 主要用于测定物质的化学成分和分子结构磁共振成像 MagneticResonanceImaging 简称MRI 诞生于1973年 它是一种无损测量技术 可以用于获取多种物质的内部结构图象 12位因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家 1944年I Rabi1952年F Block1952年E M Purcell1955年W E Lamb1955年P Kusch1964年C H Townes1966年A Kastler1977年J H VanVleck1981年N Bloembergen1983年H Taube1989年N F Ramsey1991年R R Ernst NMR基本原理 磁共振 自然界中的一种现象 即原子核可以吸收强磁场中存在的一定频率的电磁辐射 艾西德 艾萨克 瑞白 IsidorIsaacRabi 一位出生于澳大利亚的美国物理学家 1898 1988 于1938年最先发现磁共振现象 小磁铁 Nuclear 原子 小磁铁 Magnetic 小磁铁的磁化Resonance 小磁铁信息的侦测1小磁铁的来源2排列原子核磁体3干扰磁体4监视原子核运动5进行频谱分析6驰豫 1 小磁铁的来源 许多原子核 并非全部 可被视为很小的条形磁铁 都有磁北极和磁南极 原子核以南北磁极连线为轴 以恒定速率旋转 旋转条形磁铁在自然界中相当普遍 单个的铁原子 地球 太阳 多个行星和中子星等都属于旋转条形磁铁 与原子核相比 地球的地理北极 旋转轴 与北磁极并不完全重合 所以它是比较复杂的旋转条形磁铁 原子核的运转情况要好得多 它们的磁极与地理磁极恰好重合 2 排列原子核磁体 通常 原子核的北极可以指向任意方向 如无外界干涉 它们的指向则没有限制 核磁共振测量法的第一步是通过放置一块大型磁铁来形成一个强磁场 然后将原子核磁体置于其中 使其按一定方式排列 这将使原子核排列成行 北极指向外部磁体的南极 磁性原子核很乐于被磁场重新排列 这会使它们处于一种舒适的状态 物理学家称之为平衡或低能 这就象是一个小孩懒洋洋地坐在操场的秋千上 哪儿也不想去 这儿就是他最开心的地方 3 干扰磁体 核磁共振测量法的第二步是让物体移动 这是通过另一磁场来完成的 而不是与原子核运动产生共振的那个磁场 这就象是前面说的那个荡秋千的懒小孩一样 推动着他 但不必太用力 每次他接近弧顶并向前荡时 轻轻地推一下 这种被称为共振的轻轻推动可以增强规律性的往复运动 原子核的运动亦是如此 为使它们不指向大磁体 必须对其施加外力 由于原子核是旋转的 所以其运动方式很象陀螺仪或玩具陀螺 当陀螺仪或玩具陀螺笔直指向地球的重力场时 它只是旋转 如果它与重力场呈某一角度 就会做一种称为 旋进 的轨道运动 旋进速度 远低于旋转速度 取决于陀螺仪的大小和形状 它的旋转速度及重力 当原子核偏离强磁场的方向时 它也做 旋进 运动 旋进速度取决于原子核的属性 旋转速率等 以及磁场强度 这与陀螺仪很类似 这些属性是保持不变的 所以只需知道磁场强度就可以准确得出旋进频率 也就是必须施加给原子核的推动频率 以使其偏离主磁场 产生旋进运动 推力来自第二个磁场 该磁场的时间变化率与旋进速率相等 即可以与原子核运动产生共振 核 磁 共振 是不是初具雏形了 4 监视原子核运动 即使您闭上眼睛 也能知道秋千还在摆荡 为什么 原来秋千上的小孩在大声喊叫个不停 这一次 磁性原子核的情形仍与此非常类似 只要它们脱离大磁场中的队列 或者说 不再保持平衡状态 它们会辐射出无线电波 每个原子核都象一个很小的无线电台 并且毫无疑问 核磁共振设备的一部分是一个无线电接收器 在原子核移动时 可以捕捉到它们发出的信号 最早的核磁共振设备是二战时与雷达站一同建造的 在一套设备里 既有无线电发射机 又有接收机 自由感应衰减FID FreeInductionDecay 5 进行频谱分析 不同物质有不同共振频率 同一物质上不同位置之原子频率亦不相同 频谱之线下面积正比于该物质浓度这就是磁振频谱 MRSpectroscopy MRS 6 驰豫 在前面那个荡秋千示例中 停止施加外力后 秋千在一段时间内仍将继续摆动 但秋千上的小孩很不舒服 他不再保持平衡 而处于一种高能状态 这不是他的本性 由于各方面原因 与空气的摩擦 秋千与支撑结构连接处的摩擦 一段时间后秋千会逐渐慢下来 但秋千上的小孩想尽快进入驰豫状态 于是他稍微收腿 让自己减速 直至他再次可以舒舒服服地坐在那里 原子核非常象这个小孩 通过无线电波可以让它运动 在无线电发射机停止发射后的一段时间内 它仍可继续运动 但不是最佳状态 在核磁共振设备中 它会在永久磁场的导向下 找到一种方法逐渐回到平衡状态 但还有一个问题 原子核并没有脚 它们如何减速 有多种方法可使原子核失去能量返回平衡状态 对于原子核处于液体分子 如水 的情况 一种途径就是撞击固体表面 每次分子撞击固体表面时 原子核都有机会返回到沿强磁场方向的平衡排列状态 这就是 驰豫 您看 即便是原子核也喜欢驰豫 在较大的孔隙里 液体分子有更多的空间移动而不会撞上孔壁 所以碰撞频率非常小 在岩石里 核磁共振驰豫取决于孔隙的尺寸 孔隙越大 核磁共振驰豫的时间越长 核磁共振对孔隙尺寸的灵敏度有两项简单但功能强大的应用 第一就是由孔隙尺寸决定的渗透性 更确切地说 渗透性与孔隙直径的平方成正比 所以人们希望它与核磁共振驰豫的平方也成正比 通过对数百种不同的岩石进行实验室测试 证明确实存在这种关系 核磁共振数据的第二项应用是确定孔隙尺寸的分布 由于在单个岩石内孔隙的尺寸变化很大 因此分布范围很广 通过孔隙尺寸分布 地质学者可以得出大量有关岩石的信息 远胜于在显微镜下进行观察 更多相关内容 排列 干扰 驰豫是核磁共振的基本内容 但就象所有科学领域一样 这只是一个庞大 复杂且有趣的故事的开头 数名科学家已经因为在某些细节方面的研究而获得了 诺贝尔奖 核磁共振技术的应用 核磁共振适合于液体 固体 如今的高分辨技术 还将核磁用于了半固体及微量样品的研究 核磁谱图已经从过去的一维谱图 1D 发展到如今的二维 2D 三维 3D 甚至四维 4D 谱图 陈旧的实验方法被放弃 新的实验方法迅速发展 它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰 在世界的许多大学 研究机构和企业集团 都可以听到核磁共振这个名词 包括我们在日常生活中熟悉的大集团 而且它在化工 石油 橡胶 建材 食品 冶金 地质 国防 环保 纺织及其它工业部门用途日益广泛 在中国 其应用主要在基础研究方面 企业和商业应用普及率不高 主要原因是产品开发不够 使用成本较高 但在石油化工 医疗诊断方法应用较多 一些实际的应用 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大分子化学结构的分析 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 核磁共振技术在生命科学中的应用 医学应用脑功能与神经科学生物技术应用1 微生物代谢途径的研究2 植物系统代谢途径的研究3 少 多糖分析4 生物反应器系统的优化5 结构基因组研究 NMR在生物制药中的作用 1 利用NMR对于化学和结构环境的灵敏特性 使其可以研究药物中的分子结构 2 NMR信号强度正比于自旋核的个数 由此可以获得定量信息 这使得NMR不仅可以用作刻度次要测量方法 如FTIR和HPLC 的主要标准 也可以用来检测药物的纯度 3 把NMR的化学结构确定能力和HPLC 高效液相色谱 的大分子物质分离提纯能力结合在一起 产生了LC NMR技术 从而可以实现混合物的在线分离与识别 今后 固态NMR技术也将在生物制药中得到应用 以评价乳剂 混悬剂和片剂的均匀性 此外 把NMR与分离色谱 毛细管电泳等技术相结合也是一个方向 冷冻探针等新技术的发现将把NMR的检测限度提高到毫微克范围 所有这些技术的发展都将继续推动NMR技术在研究药品结构 纯度 稳定性和同分异构成分等方面的应用的进步 ForExample 例一 确定分子结构 用核磁共振法得到乙基苯的核磁共振谱图如图8所示 由图可见位于乙基苯中不同的化学集团 甲基 次甲基 苯基 中的氢核 因其化学环境不同而有不同的化学位移 依次为1 22ppm 2 63ppm和7 18ppm 而标准物质TMS的 图中显示出 不同化学集团处有不同的峰值数 这是由于不同化学集团间核的自旋耦合作用引起的能级分裂而造成的 谱线还有一定的宽度 吸收峰的面积正比于相应化学集团中氢核的数目 因而对吸收曲线所包围面积进行积分 便可知各化学集团中包含氢核的数目 核磁共振仪中配置的电子积分器 可把谱线强度画成阶梯式的线 以阶梯的高度代表峰面积的相对值 由图8可知 乙基苯三个化学集团中氢核的数目比为5 2 3 例二 核磁共振CT 核磁共振成像 NMR成像 被广泛地用于医疗诊断上 其中最常用是平面成象 即获取样品平面 断面 上的分布信息 称作核磁共振计算机断层成象 也就是常说的核磁共振CT computedtopography 就人体而言 体内的大部分 75 物质都是水 且不同组织中水的含量也不同 用核磁共振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 当体内遭受某种疾病时 其含水量分布就会发生变化 利用氢核的核磁共振就能诊断出来 图9所示的人体成像装置核磁共振成像系统由磁体系统 谱仪系统 计算机系统和图象显示系统组成 磁体系统由主磁体 梯度线圈 垫补线圈和与主磁场正交的射频线圈组成 是核磁共振发生和产生信号的主体部分 谱仪系统是产生磁共振现象并采用磁共振信号的装置 主要由梯度场发生器和控制系统 MR信号接收和控制等部分组成 计算机图象重建系统要求配备大