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       首頁 >> 中醫(yī)基礎(chǔ)常識 >> 雜談
    
      

      


      
    
      
        
      低場脈沖核磁共振分析測量儀研制成功
      
        
      
            醫(yī)案日記
            2023-06-21 21:20:16
        
      

        
      
           
      日前
      ，由中國科學(xué)院電工研究所承擔(dān)的“低場脈沖核磁共振分析測量儀”項(xiàng)目順利通過了中國科學(xué)院組織的專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目由我國自行研制、具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)
      ，填補(bǔ)了我國在這一領(lǐng)域的空白
        ，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平
      ，部分指標(biāo)處于國際領(lǐng)先地位
      。該項(xiàng)目的順利完成表明我國已經(jīng)掌握了低場脈沖核磁共振核心技術(shù)
      。
      核磁共振技術(shù)向低場脈沖方向發(fā)展是繼高場波譜技術(shù)
      、醫(yī)用成像技術(shù)之后的又一發(fā)展趨勢
      ，由電磁、電子
      、控制等技術(shù)和近代物理學(xué)
      、分析化學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科的交叉結(jié)合而成
      ，是核磁共振技術(shù)從面向科學(xué)研究
      、高檔醫(yī)療診斷等高端需求，向工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地下資源勘探等普遍需求轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)
      ，以此技術(shù)為核心平臺的應(yīng)用可拓展到石油
        、天然氣的勘探、核磁共振測井儀
      、地下水的查找
      、地面核磁共振找水儀、礦產(chǎn)
      、考古等地下資源的調(diào)查
      、核磁共振磁力儀等。該技術(shù)同時也為食品
      、農(nóng)產(chǎn)品
      、石化
      、醫(yī)藥、紡織
      、環(huán)保等行業(yè)的分析測試提供了一項(xiàng)快速
      、無損、無需制備樣品和無毒無副作用的新方法
      。目前
      ，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)公布了五項(xiàng)采用低場脈沖核磁共振技術(shù)無損同步檢測含油種子含油量和水分含量以及動植物中固體脂肪含量的標(biāo)準(zhǔn)。
      有關(guān)專家認(rèn)為
      ，該項(xiàng)研究為低場脈沖核磁共振分析測量儀器在我國工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用打下了堅實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)
      ；為我國突破國外技術(shù)封鎖，自行研制勘探地下資源的核磁共振儀器奠定了厚實(shí)的技術(shù)積累
      ；為核磁共振技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用提供了完整的技術(shù)平臺
      。
      什么叫“核磁共振”
      ？？
      核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技術(shù)
      。是繼CT后醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一重大進(jìn)步
      。自80年代應(yīng)用以來，它以極快的速度得到發(fā)展
      。其基本原理：是將人體置于特殊的磁場中
      ，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振
      ，并吸收能量
      。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號
      ，并將吸收的能量釋放出來
      ，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計算機(jī)處理獲得圖像
      ，這就叫做核磁共振成像
      。

      磁矩是由許多原子核所具有的內(nèi)部角動量或自旋引起的，自1940年以來研究磁矩的技術(shù)已得到了發(fā)展
      。物理學(xué)家正在從事的核理論的基礎(chǔ)研究為這一工作奠定了基礎(chǔ)
      。1933年，G·O·斯特恩（Stern）和I·艾斯特曼（Estermann）對核粒子的磁矩進(jìn)行了第一次粗略測定
      。美國哥倫比亞的I·I·拉比（Rabi生于1898年）的實(shí)驗(yàn)室在這個領(lǐng)域的研究中獲得了進(jìn)展
      。這些研究對核理論的發(fā)展起了很大的作用。 

      當(dāng)受到強(qiáng)磁場加速的原子束加以一個已知頻率的弱振蕩磁場時原子核就要吸收某些頻率的能量
      ，同時躍遷到較高的磁場亞層中
      。通過測定原子束在頻率逐漸變化的磁場中的強(qiáng)度
      ，就可測定原子核吸收頻率的大小。這種技術(shù)起初被用于氣體物質(zhì)
      ，后來通過斯坦福的F.布絡(luò)赫（Bloch生于1905年）和哈佛大學(xué)的E·M·珀塞爾（Puccell生于1912年）的工作擴(kuò)大應(yīng)用到液體和固體
      。布絡(luò)赫小組第一次測定了水中質(zhì)子的共振吸收，而珀塞爾小組第一次測定了固態(tài)鏈烷烴中質(zhì)子的共振吸收
      。自從1946年進(jìn)行這些研究以來
      ，這個領(lǐng)域已經(jīng)迅速得到了發(fā)展。物理學(xué)家利用這門技術(shù)研究原子核的性質(zhì)
      ，同時化學(xué)家利用它進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程中的鑒定和分析工作
      ，以及研究絡(luò)合物
      、受阻轉(zhuǎn)動和固體缺陷等方面
      。1949年，W·D·奈特證實(shí)
      ，在外加磁場中某個原子核的共振頻率有時由該原子的化學(xué)形式?jīng)Q定
      。比如，可看到乙醇中的質(zhì)子顯示三個獨(dú)立的峰
      ，分別對應(yīng)于CH3
      、CH2和OH鍵中的幾個質(zhì)子。這種所謂化學(xué)位移是與價電子對外加磁場所起的屏蔽效應(yīng)有關(guān)
      。 

      (1)70年代以來核磁共振技術(shù)在有機(jī)物的結(jié)構(gòu)
      ，特別是天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的闡明中起著極為重要的作用。目前
      ，利用化學(xué)位移
      、裂分常數(shù)、H—′HCosy譜等來獲得有機(jī)物的結(jié)構(gòu)信息已成為常規(guī)測試手段
      。近20年來核磁共振技術(shù)在譜儀性能和測量方法上有了巨大的進(jìn)步
      。在譜儀硬件方面，由于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展
      ，磁體的磁場強(qiáng)度平均每5年提高1.5倍
      ，到80年代末600兆周的譜儀已開始實(shí)用，由于各種先進(jìn)而復(fù)雜的射頻技術(shù)的發(fā)展
      ，核磁共振的激勵和檢測技術(shù)有了很大的提高
      。此外，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展
      ，不僅能對激發(fā)核共振的脈沖序列和數(shù)據(jù)采集作嚴(yán)格而精細(xì)的控制
      ，而且能對得到的大量的數(shù)據(jù)作各種復(fù)雜的變換和處理。在譜儀的軟件方面最突出的技術(shù)進(jìn)步就是二維核磁共振（2D—NMR）方法的發(fā)展
      。它從根本上改變了NMR技術(shù)用于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的方式
      ，大大提高了NMR技術(shù)所提供的關(guān)于分子結(jié)構(gòu)信息的質(zhì)和量
      ，使NMR技術(shù)成為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的最重要的物理方法。 

      ①2D—NMR技術(shù)能提供分子中各種核之間的多種多樣的相關(guān)信息
      ，如核之間通過化學(xué)鍵的自旋偶合相關(guān)
      ，通過空間的偶極偶合（NOE）相關(guān)，同種核之間的偶合相關(guān)
      ，異種核之間的偶合相關(guān)
      ，核與核之間直接的相關(guān)和遠(yuǎn)程的相關(guān)等。根據(jù)這些相關(guān)信息
      ，就可以把分子中的原子通過化學(xué)鍵或空間關(guān)系相互連接
      ，這不僅大大簡化了分子結(jié)構(gòu)的解析過程，并且使之成為直接可靠的邏輯推理方法
      。 

      ②2D—NMR的發(fā)展
      ，不僅大大提高了大量共振信號的分離能力，減少了共振信號間的重疊
      ，并且能提供許多1D—NMR波譜無法提供的結(jié)構(gòu)信息
      ，如互相重疊的共振信號中每一組信號的精細(xì)裂分形態(tài)，準(zhǔn)確的耦合常數(shù)
      ，確定耦合常數(shù)的符號和區(qū)分直接和遠(yuǎn)程耦合等
      。 

      ③運(yùn)用2D—NMR技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的過程就是NMR信號的歸屬過程，解析過程的完成也就同時完成了NMR信號的歸屬
        。完整而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)歸屬不僅為分子結(jié)構(gòu)測定的可靠性提供了依據(jù)
        ，而且為復(fù)雜生物大分子的溶液高次構(gòu)造的測定奠定了基礎(chǔ)。 

      ④2D—NMR的發(fā)展導(dǎo)致了雜核（X—NMR）
        ，特別是13C—NMR譜的廣泛研究和利用
        。雜核大多是低豐度，低靈敏度核種
      ，由于靈敏度低和難以信號歸屬
      ，以往利用不多。但X—NMR譜包含有大量的有用結(jié)構(gòu)信息
      ，新穎的異核相關(guān)譜（HET—Cosy）提供的異核之間的相關(guān)信息（如H—C
      ，C—C，H—P
      ，H—N）不僅為這些雜核的信號歸屬提供了依據(jù)
      ，而且能提供H—NMR所不能提供的重要結(jié)構(gòu)信息。 

      ⑤2D—NMR技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了NOE的研究和應(yīng)用的發(fā)展
      。NOE反映了核與核在空間的相互接近關(guān)系
      ，因此它不僅能提供核與核之間（或質(zhì)子自旋耦合鏈之間）通過空間的連接關(guān)系，而且能用來研究核在空間的相互排布即分子的構(gòu)型和構(gòu)象問題
      。 

      2D—NMR技術(shù)由于其突出的優(yōu)點(diǎn)和巨大的潛力
      ，在譜儀硬件能夠滿足2D—NMR實(shí)驗(yàn)（即進(jìn)入80年代）以后的短短幾年時間內(nèi)
      ，已有1000余篇論文和數(shù)十種評論和專著出現(xiàn)。 

      (2)NMR中新的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用幾乎每天都在出現(xiàn)
      ，NMR技術(shù)本身今后將繼續(xù)就如何得到更多的相關(guān)信息
      ，簡化圖譜，改善和提高檢測靈敏度等幾方面進(jìn)行發(fā)展
      ，其中最富有發(fā)展前景的新技術(shù)有： 

      ①選擇和多重選擇激勵技術(shù)
      ，進(jìn)一步發(fā)展多量子技術(shù)，通過采用先進(jìn)的射頻技術(shù)激發(fā)那些在通常情況下禁阻的
      ，極其微弱的多量子躍遷
      。選擇性地探測分子內(nèi)核與核之間的特定相關(guān)關(guān)系?div   id="jpandex"   class="focus-wrap mb20 cf">；蛲ㄟ^特形脈沖（shaped pulse）和軟脈沖選擇性地激發(fā)某些特定的核
      ，集中研究某些感興趣的結(jié)構(gòu)問題。 

      ②“反向”和“接力”的檢測技術(shù)
        ，在異核相關(guān)譜方面
        ，采用反向檢測（稱之為inverseNMR
        ，即通過H檢測來替代以往的用雜核檢測的測試方法）可大大提高異核相關(guān)譜的檢測靈敏度（約1個數(shù)量級）
        。在同核相關(guān)譜方面，通過接力相干轉(zhuǎn)移（RCT—1）
        ，多重接力相干遷移（RCT—2）和各向同性混合的相干轉(zhuǎn)移技術(shù)（如HOHAHA）可用來解決復(fù)雜分子（包括生物大分子）的自旋偶合解析和信號歸屬問題
        。 

      ③發(fā)展并應(yīng)用譜的編輯技術(shù)，利用NMR本身在激發(fā)和接收方面的多種多樣的選擇和壓制技術(shù)
        ，可對十分復(fù)雜的NMR信號進(jìn)行分類編輯
        。 

      ④發(fā)展三維核磁共振（3D—NMR）技術(shù)，隨著NMR的研究對象向生物大分子轉(zhuǎn)移
        ，NMR技術(shù)所提供的結(jié)構(gòu)信息的數(shù)量和復(fù)雜性呈幾何級數(shù)增加
        ，近來已出現(xiàn)3D—NMR技術(shù)來替代2D—NMR方法，用于生物大分子的結(jié)構(gòu)測定
        。初步探索的結(jié)果表明3D—NMR方法不僅進(jìn)一步提高了信號的分離能力
        ，并且能提供許多2D—NMR方法所不能提供的結(jié)構(gòu)信息，大大簡化結(jié)構(gòu)解析過程
        。3D—NMR測定方法的廣泛使用還有待于測定方法進(jìn)一步改進(jìn)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步
        。 

      ⑤與分子力學(xué)計算相結(jié)合，發(fā)展分子模型技術(shù)
        。在NNR信號完全歸屬的基礎(chǔ)上
        ，利用NOE所提供的分子中質(zhì)子間的距離信息、計算分子三維立體構(gòu)造的技術(shù)近年來在多肽和小蛋白質(zhì)分子的研究中取得了巨大的成功
        。以距離幾何算法和分子動力學(xué)為基礎(chǔ)的分子模型技術(shù)（molecular modelling）正在逐步應(yīng)用于其它各種生物分子的溶液構(gòu)象問題
        。但在大分子與小分子或小分子與小分子相互作用的體系還有許多問題有待解決
        ，例如在運(yùn)動條件不利的體系中如何得到距離信息和距離信息的精度等。 

      (3)NMR波譜技術(shù)今后最富有前景的應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個方面： 

      ①繼續(xù)幫助有機(jī)化學(xué)家從自然界尋找具有生物活性的新穎有機(jī)化合物
        ，今后這方面的研究重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系
      。即研究這些物質(zhì)在參與生命過程時與生物大分子（如受體）或其它小分子相互作用的結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)特征。 

      ②更多地用于多肽和蛋白質(zhì)在溶液中高次構(gòu)造的解析
      ，成為蛋白質(zhì)工程和分子生物學(xué)中研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的重要工具
      。并朝著采用穩(wěn)定同位素標(biāo)記光學(xué)CIDNP法與2D—NMR，3D—NMR技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展
      。 

      ③NMR技術(shù)將廣泛用于核酸化學(xué)
      ，確定DNA的螺旋結(jié)構(gòu)的類型和它的序列特異性。研究課題將集中在核酸與配體的相互作用
      ，其中核酸與蛋白質(zhì)分子
      、核酸與小分子藥物的相互作用是最重要的方面。 

      ④NMR技術(shù)對于糖化學(xué)的應(yīng)用將顯示出越來越大的潛力
      ，采用NMR技術(shù)來測定寡糖的序列
      ，連接方式和連接位置，確定糖的構(gòu)型和寡糖在溶液中的立體化學(xué)以及與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)特征將是重要的研究領(lǐng)域
      。 

      ⑤NMR技術(shù)將更多地用于研究動態(tài)的分子結(jié)構(gòu)和在快速平衡中的變化
      。以深層理解分子的結(jié)構(gòu)，描示結(jié)構(gòu)的動態(tài)特征
      ，了解化學(xué)反應(yīng)的中間態(tài)及相互匹配時能量的變化
      。 

      ⑥NMR技術(shù)將進(jìn)一步深入生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域，研究生物細(xì)胞和活組織的各種生理過程的生物化學(xué)變化
      。 

      以上都是與溶液NMR研究有關(guān)的領(lǐng)域
      ，近年來固體NMR研究的NMR成象（imaging）技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步，并在材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究方面繼續(xù)發(fā)揮重要的作用
      。
      核磁共振波譜儀的詳細(xì)說明
       如果有一束頻率為ω的電磁輻射照射自旋核,當(dāng)ω=ω0時
      ，則自旋核將吸收其輻射能而產(chǎn)生共振，即所謂核磁共振
      。吸收能量的大小取決于核的多少
      。這一事實(shí)，除為測量 γ提供途徑外
        ，也為定量分析提供了根據(jù)
        。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：在固定磁場H0上附加一個可變的磁場。兩者疊加的結(jié)果使有效磁場在一定范圍內(nèi)變化
        ，即H0在一定范圍內(nèi)可變
        。另置一能量和頻率穩(wěn)定的射頻源，它的電磁輻射照射在處于磁場中的樣品上，并用射頻接收器測量經(jīng)樣品吸收后的射頻輻射能
        。在樣品無吸收時
        ，則接收的能量為一定值；如果有吸收
        ，就會給出一個能量吸收信號
        。但吸收的條件必須是射頻的頻率ω=ω0。射頻的頻率是固定的
        ，要使具有不同 γ值的不同原子核都能吸收輻射能
        ，就只有改變H0，使不同的自旋核在相應(yīng)的某一特定的H0時具有相同的并與射頻頻率相等的進(jìn)動頻率
      ，即ω=ω0
      。這樣，不同的自旋核都可以在某一特征的磁場強(qiáng)度下吸收射頻輻射能而產(chǎn)生核磁共振
      。因此
      ，用改變磁場強(qiáng)度的方法進(jìn)行掃描，接收器就可以給出一系列的以磁場強(qiáng)度(實(shí)際上是以旋磁比)為特征的吸收信號
      。以磁場強(qiáng)度為橫坐標(biāo)
      ，以吸收能量為縱坐標(biāo)繪出的曲線就是核磁共振波譜圖（圖中b）。其中橫坐標(biāo)就是定性分析所依據(jù)的參數(shù)
      ，縱坐標(biāo)對應(yīng)于不同H0的出峰面積就是定量分析參數(shù)
      。
      圖中c是核磁共振波譜儀的原理圖。它主要由5個部分組成
      。①磁鐵:它的作用是提供一個穩(wěn)定的高強(qiáng)度磁場
      ，即H0。②掃描發(fā)生器：在一對磁極上繞制的一組磁場掃描線圈
      ，用以產(chǎn)生一個附加的可變磁場，疊加在固定磁場上
      ，使有效磁場強(qiáng)度可變
      ，以實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)度掃描。③射頻振蕩器：它提供一束固定頻率的電磁輻射
      ，用以照射樣品
      。④吸收信號檢測器和記錄儀：檢測器的接收線圈繞在試樣管周圍。當(dāng)某種核的進(jìn)動頻率與射頻頻率匹配而吸收射頻能量產(chǎn)生核磁共振時
      ，便會產(chǎn)生一信號
      。記錄儀自動描記圖譜，即核磁共振波譜
      。⑤試樣管：直徑為數(shù)毫米的玻璃管
      ，樣品裝在其中，固定在磁場中的某一確定位置
      。整個試樣探頭是迅速旋轉(zhuǎn)的
      ，以減少磁場不均勻的影響
      。
      核磁共振譜儀的共振頻率是根據(jù)1H的頻率來命名的，1H共振頻率=42.57708×Ho(MHz)
      ，其中Ho為磁場強(qiáng)度
      ，單位為T（特斯拉）。例如
      ，當(dāng)磁場強(qiáng)度為4.7T時
      ，共振頻率就是200MHz。
      目前
      ，一種低分辨
      、低磁場強(qiáng)度(2-65MHz )、結(jié)構(gòu)簡易的小型核磁共振譜儀
      ，通常通過測量質(zhì)子的不同的核磁共振參數(shù)
      ，對被測樣品進(jìn)行成分或性能分析；商用的高場譜儀為200-950MHz
      ；1G（即1000MHz）的譜儀已經(jīng)研制出
      ，但尚未商用。
      世界上主要的核磁共振譜儀生產(chǎn)商有德國的Bruker公司
      ，美國的Varian公司和日本的JEOL公司
      ，三公司各有所長。
      

      脈沖-傅里葉變換核磁共振譜儀(PET-NMR)的工作原理是什么?
      【答案】：為了提高單位時間的信息量
      ，加快分析速度
      ，脈沖-傅里葉變換核磁共振譜儀(PET-NMR)，用強(qiáng)度大而持續(xù)時間短的無線電脈沖波來代替連續(xù)掃描核磁共振譜儀中對樣品連續(xù)掃描的無線電波
      ，以適當(dāng)寬度的射頻脈沖作為“多道發(fā)射機(jī)”
      ，使所選的核同時激發(fā)，得到這些核的多條譜線混合的自由感應(yīng)衰減信號
      ，即時間域函數(shù)
      ，然后以電子計算機(jī)進(jìn)行快速的傅里葉變換作為“多道接受機(jī)”，變換出各條譜線在頻率中的位置及強(qiáng)度
      ，得到正常的NMR譜
      。脈沖-傅里葉變換核磁共振譜儀測定速度快，易于實(shí)現(xiàn)信號累加技術(shù)
      ，從而大大提高了測定靈敏度
      ，可以測定從共振信號強(qiáng)的1H，19F到共振信號弱的13C
      ，15N
      。另外，它還可以進(jìn)行核的動態(tài)過程及反應(yīng)動力學(xué)等方面的研究。
      低場核磁共振等待時間怎樣設(shè)置
      低場核磁共振分析方法包含弛豫分析法及成像法
      ，本次培訓(xùn)重點(diǎn)討論核磁共振弛豫基本原理
      ，以FID為例講解弛豫通用參數(shù)設(shè)置方法，并討論常見基本故障排除方法
      ，旨在使廣大同學(xué)從本質(zhì)上理解弛豫分析方法
      ，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計及測試。低場核磁共振分析方法包含弛豫分析法及成像法
      ，本次培訓(xùn)重點(diǎn)討論核磁共振弛豫基本原理
      ，以FID為例講解弛豫通用參數(shù)設(shè)置方法，并討論常見基本故障排除方法
      ，旨在使廣大同學(xué)從本質(zhì)上理解弛豫分析方法
      ，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計及測試。
      

          
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