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1、第十四章 原子核,核歷史——點(diǎn)滴瑪麗·居里以自己的勤奮和天賦,在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域,都作出了杰出的貢獻(xiàn),是唯一一位在兩個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域、兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的著名科學(xué)家。發(fā)現(xiàn)放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)。,第十四章 原 子 核,最早發(fā)現(xiàn)是一個(gè)名叫貝克勒爾的人。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性,標(biāo)志著原子核物理學(xué)的開(kāi)端。因此他和居里夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1952年10月31日,世界第一枚氫彈在太平洋馬紹爾群島
2、一個(gè)環(huán)礁上成功爆炸,核當(dāng)量高達(dá)1000萬(wàn)噸,相當(dāng)于700枚廣島原子彈,把一個(gè)直徑1.6公里的小島活生生地炸沒(méi)了,燃起火球直徑就超過(guò)了5公里。,1967年6月17日,我國(guó)第一顆氫彈在羅布泊爆炸成功。,1964年10月16日,中國(guó)第一次將原子核裂變的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。,☆ 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)☆ 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng)☆ 放射性核素☆ 核磁共振,第十四章 原 子 核,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),一、原子
3、核的組成與質(zhì)量,1. 原子核的電荷數(shù)(nuclear charge)Z: 原子序數(shù)(nuclear number) Z:2. 核子(nucleon): 組成原子核的質(zhì)子和中子.,原子質(zhì)量單位(atomic mass unit) u,3. 原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)A:,4. 核素(nuclide):一類(lèi)具有確定的質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子稱(chēng)為核素。用符號(hào) 或 。,同位素(isotope):同一種元素的
4、核內(nèi)可以含有多種核子數(shù),即它們具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同, 它們?cè)谠刂芷诒碚紦?jù)同一位置, 具有相同的化學(xué)性質(zhì)。如氫的同位素 。,同量異位素(isobar):質(zhì)量數(shù)相同,質(zhì)子數(shù)不同的一類(lèi)核數(shù)。如 。,同核異能素(isomer):質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同而處在不同能量狀態(tài)的一類(lèi)核數(shù)。如 。,同中子異位素(isotone):中子數(shù)
5、相同,質(zhì)子數(shù)不同的一類(lèi)核數(shù)。如 。,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),1. 質(zhì)量虧損(mass defect):,2. 結(jié) 合 能(binding energy):,二、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),3. 比結(jié)合能(specific binding energy):,物理意義:若把一個(gè)核子放入原子核里,則平均釋放能量?。反之若從核內(nèi)取出一個(gè)核子,
6、則需要克服原子核對(duì)核子的引力平均做功? 。因此, ? 越大,表示核子間結(jié)合得越緊密, ? 的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度。,自然界中各種核的結(jié)合能相差甚大,但比結(jié)合能卻相差不大, 如下頁(yè)圖。,重核裂變:原子彈、原子能反應(yīng)堆等輕核聚變:氫彈等,第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),1. 原子核的大小:,原子核的密度:,核半徑比原子半徑小106倍。豌豆粒大小的核(~ mm),其原子半徑約為~ km 。,普通物質(zhì)
7、的密度:,三、原子核的基本性質(zhì),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),核力:核子之間存在的一種短程強(qiáng)吸引力。(1)核力是一種短程力;(2)核力與電荷無(wú)關(guān);(3)核力是具有飽和性的交換力。,2. 核力(nuclear force),第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),有些核素的原子核是不穩(wěn)定的,能自發(fā)地放出由某些離子組成的射線(xiàn)后變?yōu)榱硪环N核素,這類(lèi)核素稱(chēng)為放射性核素。 如鈾,钚等元素周期表中序數(shù)
8、較大的元素。放射性,核衰變。,衰變的類(lèi)型?粒子: 核?粒子:電子; ?+粒子:正電子?光子:能量高于X射線(xiàn)守恒規(guī)律:電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動(dòng)量和核子數(shù)。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. ?衰變:,(1) ?衰變:質(zhì)量數(shù)A>209的放射性核素自發(fā)地放射? 射線(xiàn)而變成 另一種核素的現(xiàn)象。,(2) ?衰變過(guò)程式:,(3) ?衰變位移法則:子核Y比母核X 電荷數(shù)減少2,核子數(shù)減少4,在
9、 元素周期表要前移2位。,(4) ?衰變綱圖:,一、 放射性衰變,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),2. ?衰變,(2) ??衰變:,(3) ?+衰變:,(4) 電子俘獲:,(1) ?衰變:放射性核素自發(fā)地放射?射線(xiàn)(高速電子) 或俘獲軌道電子而變成另一種核素的現(xiàn)象。,(5) 俄歇電子(Auger electron):一個(gè)內(nèi)層電子被俘獲后,外層電子會(huì)立即填補(bǔ)這一空位,同時(shí)釋放能量。這個(gè)能量可以發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)的形式放出,也
10、可以使另一外層電子電離成為自由電子。這種被電離的電子稱(chēng)為俄歇電子。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(6) ?能譜圖:,由于?衰變過(guò)程中有中微子參與,衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配,因此?射線(xiàn)的能譜是連續(xù)的。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(1) ? 衰變: 同核異能躍遷.,(2) 內(nèi)轉(zhuǎn)換: 在某些情況下, 原子核從激發(fā)態(tài)向低能級(jí)的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時(shí), 不是通過(guò)放出光子, 而是通過(guò)核外電子發(fā)生能量交換把能量
11、交給電子, 使其脫離原子的束縛成為自由電子——內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,(3) 內(nèi)轉(zhuǎn)換過(guò)程中, 由于釋放電子而在原子的內(nèi)殼層出現(xiàn)空位,外層電子將會(huì)填充這個(gè)空位而發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)或俄歇電子。,3. ?衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),(4) 衰變綱圖:,,,,,,,,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. 核衰變規(guī)律:,2. 半衰期(half life):,積分得:,?為衰變常數(shù)(decay constant):表示一個(gè)原子核單位
12、時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。,二、衰變規(guī)律,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),3.有效半衰期(effective half life period),4.平均壽命(mean life time),半衰期、平均壽命與衰變常數(shù)的關(guān)系:,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),5. 放射性活度(radioactivity),單位:1Bq=1核衰變/秒 1Ci(居里)=3.7?1010 Bq,放射源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的母核數(shù),稱(chēng)
13、為放射性活度。,第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),反應(yīng)能:Q = EY+Eb?Ea,反應(yīng)后質(zhì)量虧損:?m =(mX+ma)?(mY+mb),反應(yīng)能:?E=?mc2,?m>0,放出能量;?m<0,吸收能量。,三、人工核反應(yīng)(artificial nuclear reaction ),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),1. 中子核反應(yīng) (n,?), (n,p), (n,?), (n,2n),2. 質(zhì)子核反應(yīng) (p,?), (
14、p,n), (p,?),3. 氘核的核反應(yīng) (d, p), (d,n), (d,?), (d, 3H), (d,2n),4. ?粒子的核反應(yīng)(?, p), (?, n),5. 光致核反應(yīng) (?, n),第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(yīng),照射劑量就是單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收的能量;測(cè)量照射劑量主要依據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥空氣中測(cè)量輻射產(chǎn)生的電離效應(yīng),即測(cè)量X射線(xiàn)和?射線(xiàn)在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的正(或負(fù))離子電量來(lái)表征X射線(xiàn)和
15、?射線(xiàn)的照射量。單位:C/kg或倫琴(R);1R=2.58×10-4 C/kg,第三節(jié) 放射性核素,一、放射線(xiàn)劑量(irradiation dose),1. 照射劑量 (exposure dose),吸收劑量是被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離能量;它是衡量單位質(zhì)量受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的一個(gè)物理量。,單位:J/kg或戈瑞(Gy);1 Gy = 1 J/kg; 拉德(rad) ; 1 Gy =
16、100 rad,2. 吸收劑量 (absorbed dose),第三節(jié) 放射性核素,生物體內(nèi)單位質(zhì)量的組織,從各種射線(xiàn)中吸收同樣多能量,所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)有很大差別,這是因?yàn)樯渚€(xiàn)對(duì)細(xì)胞的損傷,不但與它吸收的能量和產(chǎn)生的離子有關(guān),還與電離的密集程度有關(guān)。書(shū)中表14-4 是射線(xiàn)的RBE。,單位:希沃特(Sv),3. 生物相對(duì)有效倍數(shù)和生物等效劑量,第三節(jié) 放射性核素,由表14-4可知, ?粒子的RBE=20, ?粒子的RBE=1
17、, 所以甲的肺組織受到的等效劑量為:2?10 ?3?20=4.0?10 ?2 Sv 同理,乙的肺組織受到等效劑量為: 1?10 ?3?20+1?10 ?3?1=2.1?10 ?2 Sv 相比之下,甲受到的輻射影響比乙大。,例 有甲、乙兩人, 甲的肺組織受?粒子照射, 吸收劑量為2mGy. 乙的肺組織受?粒子照射, 吸收劑量為1mGy,同時(shí)還受到?粒子照射, 吸收劑量也為1mGy。試比
18、較這兩人所受射線(xiàn)影響的大小。,,第三節(jié) 放射性核素,(1) 最大容許劑量(maximum permissible dose) 放射線(xiàn)雖可用來(lái)診斷和治療疾病,但人體正常組織如果受到過(guò)劑量的照射,人體將會(huì)受到損害。因此,在應(yīng)用放射線(xiàn)的同時(shí),要注意對(duì)它的防護(hù)。 國(guó)際上規(guī)定了一個(gè)最大的容許劑量,即經(jīng)過(guò)一次照射成長(zhǎng)期積累,對(duì)人體沒(méi)有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。 從業(yè)人員: 50 mSv/a;
19、 居 民: 5 mSv/a .,4. 輻射的防護(hù),第三節(jié) 放射性核素,(2) 外照射防護(hù)因?yàn)椴煌派渚€(xiàn)的性質(zhì)不同,采取的防護(hù)措施也不一樣。? 射線(xiàn)的電離能力很強(qiáng), 但射程短,穿透能力小。 由? 射線(xiàn)不可能由體表深入體內(nèi),故對(duì)外照射只要戴上手套即可;? 射線(xiàn)和? 射線(xiàn)穿透能力強(qiáng),外照射不容忽視,對(duì)? 射線(xiàn)常用含有中等原子序效的物質(zhì)作屏蔽材料,如各種塑料和有機(jī)玻璃。? 射線(xiàn)對(duì)重原子序數(shù)物質(zhì)易引起起韌致輻射(高速帶電
20、粒子急劇減速時(shí)發(fā)出的電磁輻射),后者對(duì)人體健康亦不利,故不宜采用。?射線(xiàn)不存在這一問(wèn)題,故多用重原子序數(shù)物質(zhì)如鉛、混凝土等來(lái)屏蔽。,第三節(jié) 放射性核素,除采用屏蔽措施外,還應(yīng)注意保護(hù)環(huán)境。對(duì)于含有放射性物質(zhì)的廢物,要妥善處理,不要隨便棄置。,(3) 內(nèi)照射防護(hù)用放射性核素注入體內(nèi)進(jìn)行的照射叫內(nèi)照射。 ? 射線(xiàn)源進(jìn)入體內(nèi),由于其電離比值高,產(chǎn)生電離作用將對(duì)人體造成極大危害。故工作時(shí)要待別防止? 射線(xiàn)源由呼吸道、食管或外傷傷口進(jìn)入體內(nèi)。
21、,第三節(jié) 放射性核素,放射性核素在診斷和治療方面都有重要應(yīng)用。體現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展水平的核醫(yī)學(xué),在醫(yī)學(xué)診療中起著越來(lái)越重要的作用。,用放射性核素作為示蹤原子,以研究其在體內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)移和代謝。并借助它們放出的射線(xiàn),在體外探查該元素的行蹤,這種方法叫示蹤原子法。此外還有體外標(biāo)本測(cè)量法和放射自顯影。,二、放射性核素在醫(yī)藥方面的應(yīng)用,1. 示蹤的原理,第三節(jié) 放射性核素,治療腫瘤的一種有效的物理療法,從射線(xiàn)照射方式可分為外照射、近距離照射和
22、內(nèi)照射,臨床常用的外照射有60Co治療機(jī)、醫(yī)用直線(xiàn)加速器和?-刀等。,放射診斷主要是指核素成像,是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù),常見(jiàn)有?照射機(jī)、SPECT和PET等。,3. 放射治療,2. 放射診斷,第三節(jié) 放射性核素,正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層(PET)原理,(1) 概念: PET是將發(fā)射正電子的同位素藥物注入人體之后,探測(cè)正電子在體內(nèi)被電子俘獲產(chǎn)生湮滅反應(yīng)時(shí)沿相反方向發(fā)出的兩個(gè)能量為0.511 Me
23、V的光子,從而獲得正電子標(biāo)記藥物在體內(nèi)的三維密度分布,以及這種分布隨時(shí)間變化的信息. 即一種探測(cè)注入體內(nèi)的放射性核素放射出的? +產(chǎn)生湮沒(méi)光子對(duì)而實(shí)現(xiàn)斷層成像。 例: 13N----13C+ ? + + ? +Q ? ++ ? ----2? (能量為 0.511MeV, 方向相反傳播的光子 ),第三節(jié) 放射性核素,(2) 采用自準(zhǔn)直符合探測(cè)原理,(1) 只有 a有信號(hào)輸出;
24、(2) b、c因不符合對(duì)稱(chēng)電路,無(wú)信號(hào)輸出;(3) 湮沒(méi)光子位置與產(chǎn)生? +位置接近(1~2mm),第三節(jié) 放射性核素,PET正電子同位素由回旋加速器產(chǎn)生,如采用加速至9MeV的氘離子束轟擊氖氣靶產(chǎn)生18F,再經(jīng)化學(xué)合成得到所需藥物。常見(jiàn)PET標(biāo)記藥物及主要用途為:,PET 示蹤藥物,第三節(jié) 放射性核素,63歲左側(cè)下喉癌患者的CT 與PET圖像的融合,第三節(jié) 放射性核素,CT 與PET圖像融合,確定胸骨上損傷的位置,同時(shí)可見(jiàn)
25、右側(cè)腋窩處有一腫大的淋巴結(jié)。,第三節(jié) 放射性核素,PET掃描揭示悲哀時(shí)女性腦部(左)比男性腦部(右)更具代謝活性,第三節(jié) 放射性核素,(1) 核子(質(zhì)子和中子)與電子一樣具有自旋, 與之相聯(lián)系的有自旋角動(dòng)量 和 自旋磁矩。,第四節(jié) 核磁共振,,一、 核子的自旋與磁矩,質(zhì)子和中子自旋角動(dòng)量,自旋量子數(shù):I=1/2,自旋磁量子數(shù):mI=?1/2,自旋角動(dòng)量大?。?LI在 Z 軸(外磁場(chǎng))方向上的投影,(簡(jiǎn)稱(chēng)
26、 自旋),第四節(jié) 核磁共振,原子核內(nèi)核子的固有角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和。 式中 I 為自旋量子數(shù)(spin quantum number) 偶-偶核, 12C, 16O等, I =0; 奇-偶核, 1H, 31P等, I =n/2, (n=1,3,5, · · · ); 奇-奇核, 6Li, 14N等, I =n, (n=1,2, 3, &
27、#183; · · )。,二、原子核的自旋與磁矩,1. 原子核的角動(dòng)量即核自旋(nuclear spin),第四節(jié) 核磁共振,2. 原子核的自旋角動(dòng)量在空間某一選定方向(如z方向)上的投影也是量子化的,式中 m為磁量子數(shù): m =I, I–1,· · · –I+1,–I。共2I+1個(gè)可能取值,對(duì)應(yīng)該自旋核在外磁場(chǎng)中有2I+1個(gè)可能的取向。,第四節(jié) 核磁共振,式中 ?N = 5.05
28、08×10?27 J/T為核磁子。 質(zhì)子的g = 5.585694772。,式中 ? 為核自旋磁旋比。,3. 原子核的磁矩與原子核的自旋,4. 原子核的總磁矩及其在外磁場(chǎng)的分量也都是量子化的,第四節(jié) 核磁共振,自旋不為零的原子核與外磁場(chǎng)的相互作用,一方面產(chǎn)生核繞B的旋進(jìn),另一方面產(chǎn)生了核的附加能量,造成原子核能級(jí)的劈裂。當(dāng)頻率為10~100MHz的射頻(radio frequency,RF)電磁波對(duì)樣品照射,
29、 若RF電磁波的能量剛好等于原子核能級(jí)劈裂的能級(jí)差,就會(huì)出現(xiàn)樣品中的原子核強(qiáng)烈地吸收電磁波的能量,從劈裂后的低能級(jí)向相鄰的高能級(jí)躍遷的現(xiàn)象,這就是核磁共振現(xiàn)象中的共振吸收。,三、 核磁共振,1. 自旋核在磁場(chǎng)中的能級(jí)劈裂,第四節(jié) 核磁共振,2. 劈裂能級(jí)間的躍遷,(1)磁矩在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生附加能量 m 只能取2I+1, 對(duì)I=1/2的氫核 m =1/2、–1/2,(2) 能級(jí)劈裂的間距,即裂距:,第四節(jié) 核
30、磁共振,3. 核磁(自旋核在磁場(chǎng)中與射頻電磁波)共振的條件 ——即雙方最大的交換能量的條件 :,第四節(jié) 核磁共振,只有當(dāng)RF的角頻率?與外磁場(chǎng)B符合拉莫公式,才能發(fā)生能級(jí)躍遷,即共振吸收。,4. 拉莫(Larmor)公式,第四節(jié) 核磁共振,1. 核磁共振譜,以發(fā)生共振吸收的強(qiáng)度為縱坐標(biāo),發(fā)生共振的頻率(或磁感應(yīng)強(qiáng)度)為橫坐標(biāo),繪出一條共振吸收的強(qiáng)度與發(fā)生共振的頻率(或磁感應(yīng)強(qiáng)度)標(biāo)化的曲線(xiàn),稱(chēng)為核磁共振波譜,建立在此原理基礎(chǔ)上的一類(lèi)
31、分析方法稱(chēng)為核磁共振譜法。,應(yīng)用最普遍、最重要的是核磁共振譜,它能夠提供質(zhì)子類(lèi)型及其化學(xué)環(huán)境、氫分布和核間關(guān)系等信息。,四、核磁共振譜(NMRS),第四節(jié) 核磁共振,2. 化學(xué)位移(the chemical shift),(1)從公式? =?B0知,同一種核在固定的B0中,其共振譜線(xiàn)的位置是唯一的; 實(shí)際上,同一種類(lèi)原子核處于不同的化合物分子中,譜線(xiàn)位置不同。原因:在B0中的樣品,其自旋核不是孤立的,而是被核外帶磁性的電子云所包圍,
32、即每一個(gè)自旋核具有不同的電子環(huán)境。使自旋核處于一個(gè)磁屏蔽之中,所以lamour公式變成:? =?(1??)B0 ,式中 ? 稱(chēng)屏蔽常數(shù)(screening constant)與化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。同類(lèi)自旋核處于不同的分子之中會(huì)有不同的?,因此它們會(huì)有不同的共振頻率。,第四節(jié) 核磁共振,(2) 化學(xué)位移:同種自旋核在相同的外磁場(chǎng)情況下,測(cè)試樣品中的自旋核的共振頻率與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的自旋核的共振頻率之差。 化學(xué)位移:,(3) 化
33、學(xué)位移也可以發(fā)生在同一分子的不同原子集團(tuán)的同一自旋核。例如:乙醇的核磁共振譜NMRS有三個(gè)原子團(tuán) (OH\CH2\ CH3)三個(gè)不同位置的共振峰。,第四節(jié) 核磁共振,3. 自旋-自旋偶合(spin-spin coupling),(1)基團(tuán)間核自旋磁矩的相互作用引起;(2)與B0無(wú)關(guān);(3)CH3-基團(tuán)通過(guò)結(jié)合電子與-CH2-兩個(gè)氫核發(fā)生作用, 使其 分裂成3條線(xiàn);(4)-CH2-基團(tuán)則受到CH3-和-CH2-
34、基團(tuán)中5個(gè) 氫核的作用而 分裂成6條線(xiàn);,(5)-CH2-(靠近-NO2)只受到左 邊-CH2-基團(tuán)的兩個(gè)氫核的作 用而分裂成3條線(xiàn);(6)規(guī)律(對(duì)于H核譜線(xiàn)條線(xiàn)):某原子核集團(tuán)的譜線(xiàn)條數(shù)受到周?chē)雍思瘓F(tuán)同種核的個(gè)數(shù)n,其譜線(xiàn)則為n+1。,第四節(jié) 核磁共振,(1)MRS的原理 (a)化合物有自己特有特征峰的頻率位置; (b)共振峰下的面積正比于化合物
35、中自旋核的數(shù)量; (c)共振峰的形狀反映化合物的分子結(jié)構(gòu);(2)獲得MRS譜線(xiàn)的方法 (a)先用MRI取斷層圖像, 從中選出欲作MRI分析的部分; (b)用特制小線(xiàn)圈對(duì)檢測(cè)部位作RF激勵(lì),該頻率變化范圍 稱(chēng)作掃場(chǎng)范圍; (c)在作MRS分析時(shí)要采用抑制技術(shù):例如 1H-MRS時(shí)要 對(duì)H2O峰作抑制, 作31P-MRS
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