核磁共振

跳轉到: 導航, 搜索

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance即NMR)是處於靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發生的物理現象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現象獲取分子結構、人體內部結構信息的技術,即磁共振成像

Bkd3t.jpg


並不是是所有原子核都能產生這種現象,原子核能產生核磁共振現象是因為具有核自旋。原子核自旋產生磁矩,當核磁矩處於靜止外磁場中時產生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下,自旋核會吸收特定頻率的電磁波,從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。

核磁共振是一種物理現象,作為一種分析手段廣泛應用於物理、化學生物等領域,到1973年才將它用於醫學臨床檢測。   

目錄

技術發展

1930年代,物理學家伊西多.拉比發現在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列,而施加無線電波之後,原子核的自旋方向發生翻轉。這是人類關於原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由於這項研究,拉比於1944年獲得了諾貝爾物理學獎。

1946年兩位美國科學家布洛赫和珀塞爾發現,將具有奇數個核子(包括質子和中子)的原子核置於磁場中,再施加以特定頻率的射頻場,就會發生原子核吸收射頻場能量的現象,這就是人們最初對核磁共振現象的認識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學獎。

人們在發現核磁共振現象之後很快就產生了實際用途,化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產生的影響,發展出了核磁共振譜,用於解析分子結構,隨著時間的推移,核磁共振譜技術不斷發展,從最初的一維氫譜發展到13C譜、二維核磁共振譜等高級譜圖,核磁共振技術解析分子結構的能力也越來越強,進入1990年代以後,人們甚至發展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質分子三級結構的技術,使得溶液相蛋白質分子結構的精確測定成為可能。

1946年,美國哈佛大學的珀塞爾和史丹福大學的布洛赫宣布,他們發現了核磁共振NMR。兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎。核磁共振是原子核的磁矩在恆定磁場和高頻磁場(處在無線電波波段)同時作用下,當滿足一定條件時,會產生共振吸收現象。核磁共振很快成為一種探索、研究物質微觀結構和性質的高新技術。目前,核磁共振已在物理、化學、材料科學、生命科學和醫學等領域中得到了廣泛應用。

原子核由質子和中子組成,它們均存在固有磁矩。可通俗的理解為它們在磁場中的行為就像一根根小磁針。原子核在外加磁場作用下,核磁矩與磁場相互作用導致能級分裂,能級差與外加磁場強度成正比。如果再同時加一個與能級間隔相應的交變電磁場,就可以引起原子核的能級躍遷,產生核磁共振。可見,它的基本原理與原子的共振吸收現象類似。

早期核磁共振主要用於對核結構和性質的研究,如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等,後來廣泛應用於分子組成和結構分析,生物組織與活體組織分析,病理分析、醫療診斷、產品無損監測等方面。對於孤立的氫原子核(也就是質子),當磁場為1.4T時,共振頻率為59.6MHz,相應的電磁波為波長5米的無線電波。但在化合物分子中,這個共振頻率還與氫核所處的化學環境有關,處在不同化學環境中的氫核有不同的共振頻率,稱為化學位移。這是由核外電子云對磁場的屏蔽作用、誘導效應、共厄效應等原因引起的。同時由於分子間各原子的相互作用,還會產生自旋-耦合裂分。利用化學位移與裂分數目,就可以推測化合物尤其是有機物的分子結構。這就是核磁共振的波譜分析。20世紀70年代,脈衝傅立葉變換核磁共振儀出現了,它使C13譜的應用也日益增多。用核磁共振法進行材料成分和結構分析有精度高、對樣品限制少、不破壞樣品等優點。

最早的核磁共振成像實驗是由1973年勞特伯發表的,並立刻引起了廣泛重視,短短10年間就進入了臨床應用階段。作用在樣品上有一穩定磁場和一個交變電磁場,去掉電磁場後,處在激發態的核可以躍遷到低能級,輻射出電磁波,同時可以在線圈中感應出電壓信號,稱為核磁共振信號。人體組織中由於存在大量水和碳氫化合物而含有大量的氫核,一般用氫核得到的信號比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號不同,結合CT技術,即電子計算機斷層掃描技術,可以得到人體組織的任意斷面圖像,尤其對軟組織的病變診斷,更顯示了它的優點,而且對病變部位非常敏感,圖像也很清晰。

核磁共振成像研究中,一個前沿課題是對人腦的功能和高級思維活動進行研究的功能性核磁共振成像。人們對大腦組織已經很了解,但對大腦如何工作以及為何有如此高級的功能卻知之甚少。美國貝爾實驗室於1988年開始了這方面的研究,美國政府還將20世紀90年代確定為「腦的十年」。用核磁共振技術可以直接對生物活體進行觀測,而且被測對象意識清醒,還具有無輻射損傷、成像速度快、時空解析度高(可分別達到100μm和幾十ms)、可檢測多種核素、化學位移有選擇性等優點。美國威斯康星醫院已拍攝了數千張人腦工作時的實況圖像,有望在不久的將來揭開人腦工作的奧秘。

若將核磁共振的頻率變數增加到兩個或多個,可以實現二維或多維核磁共振,從而獲得比一維核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像應用僅限於氫核,但從實際應用的需要,還要求可以對其他一些核如:C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進行核磁共振成像。C13已經進入實用階段,但仍需要進一步擴大和深入。核磁共振與其他物理效應如穆斯堡爾效應(γ射線的無反衝共振吸收效應)、電子自旋共振等的結合可以獲得更多有價值的信息,無論在理論上還是在實際應用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應用前景,伴隨著脈衝傅立葉技術已經取得了一次突破,使C13譜進入應用階段,有理由相信,其它核的譜圖進入應用階段應為期不遠。

另一方面,醫學家們發現水分子中的氫原子可以產生核磁共振現象,利用這一現象可以獲取人體內水分子分布的信息,從而精確繪製人體內部結構,在這一理論基礎上1969年,紐約州立大學南部醫學中心的醫學博士達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功的將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區分開來,在達馬迪安新技術的啟發下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅.勞特伯爾於1973年開發出了基於核磁共振現象的成像技術(MRI),並且應用他的設備成功地繪製出了一個活體蛤蜊地內部結構圖像。勞特伯爾之後,MRI技術日趨成熟,應用範圍日益廣泛,成為一項常規的醫學檢測手段,廣泛應用於帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治療和診斷。2003年,保羅.勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授彼得.曼斯菲爾因為他們在核磁共振成像技術方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾生理學或醫學獎。 其基本原理:是將人體置於特殊的磁場中,用無線電射頻脈衝激發人體內氫原子核,引起氫原子核共振,並吸收能量。在停止射頻脈衝後,氫原子核按特定頻率發出無線電信號,並將吸收的能量釋放出來,被體外的接受器收錄,經電子計算機處理獲得圖像,這就叫做核磁共振成像。  

科學原理

核磁共振現象來源於原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動。

Bkd3u.jpg

根據量子力學原理,原子核與電子一樣,也具有自旋角動量,其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定,實驗結果顯示,不同類型的原子核自旋量子數也不同:

質量數和質子數均為偶數的原子核,自旋量子數為0 ,即I=0,如12C,16O,32S等,這類原子核沒有自旋現象,稱為非磁性核。質量數為奇數的原子核,自旋量子數為半整數 ,如1H,19F,13C等,其自旋量子數不為0,稱為磁性核。質量數為偶數,質子數為奇數的原子核,自旋量子數為整數,這樣的核也是磁性核。但迄今為止,只有自旋量子數等於1/2的原子核,其核磁共振信號才能夠被人們利用,經常為人們所利用的原子核有: 1H、11B、13C、17O、19F、31P ,由於原子核攜帶電荷,當原子核自旋時,會由自旋產生一個磁矩,這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同,大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置於外加磁場中,若原子核磁矩與外加磁場方向不同,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動,稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。

原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定,也就是說,對於某一特定原子,在一定強度的的外加磁場中,其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。

原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關,根據量子力學原理,原子核磁矩與外加磁場之間的夾角並不是連續分布的,而是由原子核的磁量子數決定的,原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍,而不能平滑的變化,這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入後,就會發生能級躍遷,也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。

為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷,需要為原子核提供躍遷所需要的能量,這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候,射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收,為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核,在給定的外加磁場中,只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量,這樣就形成了一個核磁共振信號.  

技術應用

NMR技術即核磁共振譜技術,是將核磁共振現象應用於分子結構測定的一項技術。對於有機分子結構測定來說,核磁共振譜扮演了非常重要的角色,核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質譜一起被有機化學家們稱為「四大名譜」。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。

對於孤立原子核而言,同一種原子核在同樣強度的外磁場中,只對某一特定頻率的射頻場敏感。但是處於分子結構中的原子核,由於分子中電子云分布等因素的影響,實際感受到的外磁場強度往往會發生一定程度的變化,而且處於分子結構中不同位置的原子核,所感受到的外加磁場的強度也各不相同,這種分子中電子云對外加磁場強度的影響,會導致分子中不同位置原子核對不同頻率的射頻場敏感,從而導致核磁共振信號的差異,這種差異便是通過核磁共振解析分子結構的基礎。原子核附近化學鍵和電子云的分布狀況稱為該原子核的化學環境,由於化學環境影響導致的核磁共振信號頻率位置的變化稱為該原子核的化學位移。

耦合常數是化學位移之外核磁共振譜提供的的另一個重要信息,所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動量的相互影響,這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進動的能級分布狀況,造成能級的裂分,進而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發生變化,通過解析這些峰形的變化,可以推測出分子結構中各原子之間的連接關係。例如在氫譜中,d 表示二重峰 dd  表示雙二重峰 t 表示三重峰 m 表示多重峰,都是由於耦合作用產生的。

最後,信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息,處於相同化學環境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰,通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數量,從而為分子結構的解析提供重要信息。表徵信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分,這一信息對於1H-NMR譜尤為重要,而對於13C-NMR譜而言,由於峰強度和原子核數量的對應關係並不顯著,因而峰強度並不非常重要。

早期的核磁共振譜主要集中於氫譜,這是由於能夠產生核磁共振信號的1H原子在自然界丰度極高,由其產生的核磁共振信號很強,容易檢測。隨著傅立葉變換技術的發展,核磁共振儀可以在很短的時間內同時發出不同頻率的射頻場,這樣就可以對樣品重複掃描,從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區分出來,這使得人們可以收集13C核磁共振信號。

近年來,人們發展了二維核磁共振譜技術,這使得人們能夠獲得更多關於分子結構的信息,目前二維核磁共振譜已經可以解析分子量較小的蛋白質分子的空間結構。  

醫學運用

核磁共振成像技術是核磁共振在醫學領域的應用。人體內含有非常豐富的水,不同的組織,水的含量也各不相同,如果能夠探測到這些水的分布信息,就能夠繪製出一幅比較完整的人體內部結構圖像,核磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內的分布,進而探測人體內部結構的技術。

與用於鑒定分子結構的核磁共振譜技術不同,核磁共振成像技術改編的是外加磁場的強度,而非射頻場的頻率。核磁共振成像儀在垂直於主磁場方向會提供兩個相互垂直的梯度磁場,這樣在人體內磁場的分布就會隨著空間位置的變化而變化,每一個位置都會有一個強度不同、方向不同的磁場,這樣,位於人體不同部位的氫原子就會對不同的射頻場信號產生反應,通過記錄這一反應,並加以計算處理,可以獲得水分子在空間中分布的信息,從而獲得人體內部結構的圖像。

核磁共振成像技術還可以與X射線斷層成像技術(CT)結合為臨床診斷和生理學、醫學研究提供重要數據。

核磁共振成像技術是一種非介入探測技術,相對於X-射線透視技術和放射造影技術,MRI對人體沒有輻射影響,相對於超聲探測技術,核磁共振成像更加清晰,能夠顯示更多細節,此外相對於其他成像技術,核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變,而且還能夠對腦、心、肝等功能性反應進行精確的判定。在帕金森氏症、阿爾茨海默氏症、癌症等疾病的診斷方面,MRI技術都發揮了非常重要的作用。  

地質勘探

核磁共振探測是MRI技術在地質勘探領域的延伸,通過對地層中水分布信息的探測,可以確定某一地層下是否有地下水存在,地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結構信息。

目前核磁共振探測技術已經成為傳統的鑽探探測技術的補充手段,並且應用於滑坡等地質災害的預防工作中,但是相對於傳統的鑽探探測,核磁共振探測設備購買、運行和維護費用非常高昂,這嚴重地限制了MRS技術在地質科學中的應用。  

基本特點

①共振頻率決定於核外電子結構和核近鄰組態;②共振峰的強弱決定於該組態在合金中所佔的比例;③譜線的解析度極高。  

原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像,例如氫(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等。  

發展研究

1991年,58歲的瑞士化學家Richard R. Ernst已是功成名就,正馬不停蹄地繞著地球領獎頒獎。在從莫斯科飛往紐約的泛美航空公司的班機上,他被機長告知了得諾貝爾化學獎的消息。在大西洋上空海拔一萬多米的駕駛艙中,Ernst聽取了來自瑞典皇家科學院,瑞士總統和他在蘇黎士理工的同仁們的祝賀。據說,Ernst在說了不勝榮幸之類的客套話後,接著就問到:「誰是另外兩個獲獎者?」他急於想知道誰將和他瓜分那一百萬美元的獎金。那年得諾貝爾化學獎的,只有Ernst一人。

核磁共振能得到化學家的青睞,源於一種叫「化學位移」(chemical shift)的現象。產生這種現象的原因,是因為圍繞原子核旋轉的電子改變了原子核周圍的磁場強度,因而使原子核的共振頻率發生了位移。於是,通過檢測原子核的共振頻率,就可以推算出其所處的電子也就是化學環境,核磁共振波譜學便應運而生了。

然而Ernst以前的核磁共振實驗,用來激發原子核能級躍遷的電磁波都是單一頻率的。要想捕捉到不同共振頻率的原子,科學家們必須不厭其煩地改變磁場的強度,以使原子核的能級和電磁波的頻率吻合,這樣的實驗是極其繁瑣和費時的。Ernst率先發明了用脈衝信號取代單一頻率電磁波的方法,脈衝信號包含的豐富的頻率成分能一次性的把不同共振頻率的原子核激發,這樣只要對採集到的信號做一個簡單的傅立葉變換,就可以得到樣品的完整的核磁共振譜。Ernst的工作大大地改變了核磁共振波譜學的面貌,他創立的脈衝核磁共振和傅立葉分析理論對日後的成像研究也有巨大的影響,因為現代的成像技術多是在傅立葉空間採集數據,然後通過二維傅立葉變換進行圖像重建。

如今核磁共振波譜學已經被廣泛地應用於分析化學與結構化學的研究中,在關於蛋白質結構的研究上,開始和傳統的X光晶體衍射的方法平分秋色。雖然核磁共振的方法在解析度上尚不及X光晶體衍射,但因為核磁共振能直接對溶液中的蛋白質進行分析而不需要生成晶體,所以它在研究蛋白質三維結構的形成以及蛋白質之間的相互作用上,有其獨到之處。2002年,諾貝爾化學獎的一半頒給了另一個在用核磁共振波譜學研究生物大分子結構方面有傑出工作的瑞士化學家Kurt Wüthrich,也許是因為這次是和另外兩個做質譜儀的科學家平分,或者是得獎多次產生了審美疲勞,這一次在醫學界並沒有掀起太大的波瀾。

參看

關於「核磁共振」的留言: Feed-icon.png 訂閱討論RSS

目前暫無留言

添加留言
個人工具
名字空間
動作
導航
功能菜單
工具箱