核磁共振技術及應用

1、核磁共振技術及其應用蔣作宏中國科學技術大學,核磁共振信號的檢測和處理核磁共振新技術及應用,概 述,核磁共振的方法與技術作為分析物質(zhì)的手段 ，由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品 ，并具有迅速、準確、分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應用 ，已經(jīng)從物理學滲透到化學、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學科 ，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用 。核磁共振是1946年由美國斯坦福大學布洛赫(F.Block)和哈佛大學珀賽爾(E.M.Purce

2、ll)各自獨立發(fā)現(xiàn)的，兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學科。,12位因?qū)舜殴舱竦慕艹鲐暙I而獲得諾貝爾獎科學家,1944年 I.Rabi 1952年 F.Block 1952年 E.M.Purcell 1955年

3、 W.E.Lamb 1955年 P.Kusch 1964年 C.H.Townes 1966年 A.Kastler 1977年 J.H.Van Vleck 1981年

4、 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 1989年 N.F.Ramsey 1991年 R.R.Ernst,核磁共振基本原理,核磁共振原理實現(xiàn)核磁共振的兩種方法檢測共振信號的方法傅里葉(Fourier)變換,核磁共振原理 半數(shù)以上的原子核具有自旋，

5、旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一小磁場。當加一外磁場，這些原子核的能級將分裂，既塞曼效應。,在外磁場B0中塞曼分裂圖：,共振條件：? = ?0 = ??0 實現(xiàn)核磁共振的兩種方法,a．掃場法: 改變?0b．掃頻法: 改變?,檢測共振信號的方法,吸收法感應法平衡法,優(yōu)點是比較簡單，樣品不易飽和，缺點是振蕩頻率的穩(wěn)定性較差，噪音電平較高。一般只用于寬譜的波譜儀與測場儀,優(yōu)點是工作穩(wěn)定度高，噪音低，但漏電流相位不易調(diào)整。常用在商業(yè)波譜儀,優(yōu)點是

6、頻率穩(wěn)定好，噪音低，缺點是頻率調(diào)諧范圍不夠?qū)挕３Ｓ糜陟`敏度和分辨力高的波譜儀,傅里葉(Fourier)變換,,時域信號 F變換 頻域信號 頻域譜S（t1,t2,…） S(?1, ?2,…),,,核磁共振新技術,核磁雙共振 二維核磁共振 NMR成像技術 魔角旋轉(zhuǎn)技術 極化轉(zhuǎn)移技術,核磁雙共振,雙核自旋系統(tǒng),檢測器,,,,,?2,擾動,?

7、1脈沖,雙共振是同時用兩種頻率的射頻場作用在兩種核組成的系統(tǒng)上，第一射頻場B1使某種核共振，第二射頻場B2使另外一種核共振，這樣兩個原子核同時發(fā)生共振。,第二射頻場為干擾場，通常用一個強射頻場干擾圖譜中某條譜線，另一個射頻場觀察其他譜線的強度、形狀和精細結構的變化，從而確定各條譜線之間的關系，區(qū)分相互重疊的譜線。,二維核磁共振及多維核磁共振 二維核磁共振使NMR技術產(chǎn)生了一次革命性的變化，它將擠在一維譜中的譜線在二維空間展開（二維

8、譜）,從而較清晰地提供了更多的信息。,,,,,,,,NMR成像技術,投影重建成像方法Fourier成像方法弛豫時間成像方法逐點掃描方法線掃描方法切片掃描方法高分率成像和快速成像法,Fourier成像方法Fourier成像是應用十分廣泛的一種方法，它與二維（多維）NMR相似。,,,,,,,,,魔角旋轉(zhuǎn)技術,,在固體中自旋之間的耦合較強，共振譜較寬，掩蓋了其他精細的譜線結構，耦合能大小與核的相對位置在磁場中的取向有關，其因子

9、是(3cos2β-1)，如果有一種方法使β=θ=54.440（魔角），則3cosβ-1=0，相互作用減小，達到了窄化譜線的目的。魔角旋轉(zhuǎn)技術就是通過樣品的旋轉(zhuǎn)來達到減小相互作用的，當樣品高速旋轉(zhuǎn)時β與θ的差別就會平均掉。,極化轉(zhuǎn)移技術,靈敏核 非靈敏核,檢測（非靈敏核）,J,,,,脈沖序列1,,脈沖序列2,極化轉(zhuǎn)移(PT)是一種非常實技術，它用二種特殊的脈沖序列分別作用于非靈敏核和靈敏核兩種不同的自旋體系上。通過兩體

10、系間極化強度的轉(zhuǎn)移，從而提高非靈敏核的觀測靈敏度，基本的技巧是從高靈敏度的富核處“借”到了極化強度。,核磁共振應用,核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實驗方法被放棄，新的實驗方法迅速發(fā)展，它們將分子結構和分子間的關系表現(xiàn)得更加清晰。 在世界的許多大學、研究機構和企業(yè)集團，

11、都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門用途日益廣泛。 在中國，其應用主要在基礎研究方面，企業(yè)和商業(yè)應用普及率不高，主要原因是產(chǎn)品開發(fā)不夠、使用成本較高。但在石油化工、醫(yī)療診斷方法應用較多。,一些實際的應用,分子結構的測定化學位移各向異性的研究金屬離子同位素的應用動力學核磁研究質(zhì)子密度成像T1T2成像化學位

12、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機化合物的結構解析表面化學有機化合物中異構體的區(qū)分和確定大分子化學結構的分析,生物膜和脂質(zhì)的多形性研究脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動態(tài)結構生物膜蛋白質(zhì)——脂質(zhì)的互相作用壓力作用下血紅蛋白質(zhì)結構的變化生物體中水的研究生命組織研究中的應用生物化學中的應用在表面活性劑方面的研究原油的定性鑒定和結構分析瀝青化學結構分析涂料分析農(nóng)藥鑒定食品分析藥品鑒定,THE