核磁共振分析技术

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1、核磁共振300兆赫(針對氫核)的磁振頻譜儀核磁共振(NMR,NuclearMagneticResonance)是基於原子尺度的量了磁物理性質。具有奇數質子或屮子的核子，具有內在的性質：核自旋，白旋角動量。核白旋產生磁矩。NMR觀測原子的方法，是將樣品置於外加強大的磁場下，現代的儀器通常採用低溫超導磁鐵。核自旋本身的磁場，在外加磁場下重新排列，大多數核自旋會處於低能態。我們額外施加電磁場來干涉低能態的核口旋轉向高能態，再回到平衡態便會釋放出射頻，這就是NMR訊號。利用這樣的過程，我們可以進行分子科學的研究，如分子結構，動態等。核磁共振技术的历

2、史1930年代，伊西多•拉比(IsidorRabi)发现在磁场屮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。由于这项研允，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1946年,費利克斯•布洛赫(FelixBloch)和愛德華•米爾斯•珀塞耳(EdwardMillsPurcell)发现，將具有奇数个核子(包括质子和屮子)的原子核置於磁场中，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

3、们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周阖磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术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，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。另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现彖，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部

4、结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部陕学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗•劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术(MR1),并且应用他的设备成功地绘制岀了一个活体蛤婀地内部结构图像。劳特伯尔Z后，MRI技术H趋成熟，应用范围tl益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治疗和诊断。2003年，保罗•劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得•曼斯菲尔德因为他们在

5、核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔牛理学或医学奖。核磁共振的原理核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。根据量了力学原理，原子核与电了一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质子数和中子數均为偶数的原子核，自旋量子数为0质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数质量数为偶数，质子数與中子數为奇数的原子核，白旋量子数为整数迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，英核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有：1H、11

6、B、13C、170、19F、31P由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场屮，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现彖类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，対于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根

7、据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场Z间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的,原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他來源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级

8、跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。核磁共振的应用NMR技术NMR技术即核磁共振谱技术，是将