核磁共振 -物理過程

核磁共振

物理過程
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核磁共振是磁矩不為零的原子核,在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂,共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振波譜學是光譜學的一個分支,其共振頻率在射頻波段,相應的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。

核磁共振套用:核磁共振成像(MRI)檢查已經成為一種常見的影像檢查方式,核磁共振成像作為一種新型的影像檢查技術,不會對人體健康有影響,但六類人群不適宜進行核磁共振檢查:即使安裝心髒起搏器的人、有或疑有眼球內金屬異物的人、動脈瘤銀夾結扎術的人、體內金屬異物存留或金屬假體的人、有生命危險的危重病人、幽閉恐懼症患者等。不能把監護儀器、搶救器材等帶進核磁共振檢查室。另外,懷孕不到3個月的孕婦,最好也不要做核磁共振檢查。

  • 中文名稱
    核磁共振 
  • 外文名稱
    Nuclear magnetic resonance
  • 應    用
    醫學檢查
  • 類    屬
    物理學

基本簡介

磁共振(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)是基于原子尺度的量子磁物理性質。具有奇數質子或中子的核子,具有內在的性質:核自旋,自旋角動量。核自旋產生磁矩。NMR觀測原子的方法,是將樣品置于外加強大的磁場下,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,大多數核自旋會處于低能態。我們額外施加電磁場來幹涉低能態的核自旋轉向高能態,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

發展歷程

      1930年代,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。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究,拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。1946年,費利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾發現,將具有奇數個核子(包括質子和中子)的原子核置于磁場中,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。

原子核-模型圖原子核-模型圖

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,用于解析分子結構,隨著時間的推移,核磁共振譜技術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,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。

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達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功地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啓發下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅·勞特伯爾于1973年開發出了基于核磁共振現象的成像技術(MRI),並且套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,套用範圍日益廣泛,成為一項常規的醫學檢測手段,廣泛套用于帕金森氏症、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·曼斯菲爾德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。

核磁共振

基本原理

原子核的自旋

核磁共振主要是由原子核的自旋運動引起的。不同的原子核,自旋運動的情況不同,它們可 以用核的自旋量子數I來表示。自旋量子數與原子的質量數和原子序數之間存在一定的關系,大致分為三種情況,如下表。

分類質量數原子序數自旋量子數INMR信號
I偶數偶數0
II偶數奇數1,2,3,…(I為整數)
III奇數奇數或偶數0.5,1.5,2.5,…(I為半整數)

I值為零的原子核可以看做是一種非自旋的球體,I為1/2的原子核可以看做是一種電荷分 布均勻的自旋球體,1H,13C,15N,19F,31P的I均為1/2,它們的原子核皆為電荷分布均勻的自旋 球體。I大于1/2的原子核可以看做是一種電荷分布不均勻的自旋橢球體。

核磁共振現象

原子核是帶正電荷的粒子,不能自旋的核沒有磁矩,能自旋的核有迴圈的電流,會產生磁場,形成磁矩(μ)。

μ=γP

式中,P是角動量矩,γ是磁旋比,它是自旋核的磁矩和角動量矩之間的比值,因此是各種核的特征常數。

當自旋核(spin nuclear)處于磁感應強度為的外磁場中時,除自旋外,還會繞B0運動,這種運動情況與陀螺的運動情況十分相像,稱為拉莫爾進動(larmor process)。自旋核進動的角速度ω0與外磁場感應強度B0成正比,比例常數即為磁旋比(magnetogyric ratio)γ。式中ν0是進動頻率。

ω0=2πν0=γB0

原子核在無外磁場中的運動情況如下圖,微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的(方向量子化),自旋量子數為I的原子核在外磁場作用下隻可能有2I+ l個取向,每一個取向都可以 用一個自旋磁碟子數m來表示,mI之間的關系是

m=I,I-1,I-2…-I

核磁共振

原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態,I值為1/2的核在外磁場作用下 隻有兩種取向,各相當于m=1/2 和m=-1/2,這兩種狀態之間的能量差ΔE值為

ΔE=γhB0/2π

一個核要從低能態躍遷到高能態,必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻 率的電磁波輻射,當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時,處于低能態的自旋核 吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時,由于該射頻的能量E射=hν射,因此核磁共振要求的條件為

hν射=ΔE(即2πν射=ω射=γB0) 

目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振稱為質子磁共振 (Proton Magnetic Resonance),簡稱 PMR,也表示為1H-NMR。13C核磁共振(Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance)簡稱 CMR,也表示為13C-NMR。

核磁共振飽和與馳豫

1H的自旋量子數是I=1/2,所以自旋磁量子數m=±1/2,即氫原子核在外磁場中應有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級,在磁場中,m=1/2時,E=-μB0,能量較低,m=-1/2時,E=μB0,能量較高,兩者的能量差為ΔE=2μB0,見下圖。

,式說明:處于低能級的1H核吸收E射的能量時就能躍遷到高能級。也即隻有當電磁波的輻射能等于lH的能級差時,才能發生1H的核磁共振。

核磁共振

E射=hνE=hν0

因此1H發生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等于1H的進動頻率,既符合下式。

核磁共振

ν射=ν0=γB0/2π 由式可知:要使ν射=ν0,可以採用兩種方法。一種是應強度,逐漸改變電磁波的輻射頻率ν射,進行掃描,當ν射與B0匹配時,發生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率,然後從低場到高場,逐漸改變B0,當 B0與ν射匹配時,也會發生核磁共振(見右圖)。這種方法稱為掃場。—般儀器都採用掃場的方法。固定磁感

在外磁場的作用下,有較多1H傾向于與外磁場取順向的排列,即處于低能態的核數目比 處于高能態的核數目

多,但由于兩個能級之間 能差很小,前者比後者隻佔微弱的優勢1H-NMR的訊號正是依靠這些微弱過剩的低能態核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高級而產生的。如高能態核無法返回到低能態,那麽隨著躍遷的不斷進行,這種微弱的優勢將進一步減弱直到消失,此時處于低能態的1H核數目與處于高能態核數目逐漸趨于相等,與此同步,PMR的 訊號也會逐漸減弱直到最後消失。上述這種現象稱為飽和。

1H核可以通過非輻射的方式從高能態轉變為低能態,這種過程稱為弛豫(relaxation),正是 因為各種機製的弛豫,使得在正常測試情況下不會出現飽和現象。弛豫的方式有兩種,處于高能態的核通過交替磁場將能量轉移給周圍的分子,即體系往環境釋放能量,本身返回低能態,這個 過程稱為自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示,T1稱為自旋晶格弛豫時間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的整體能量,又稱為縱向弛豫。兩個處在一定距離內,進動頻率相同、進動取向不同的 核互相作用,交換能量,改變進動方向的過程稱為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示,T2稱為自旋-自旋弛豫時間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的整體能量,又稱為橫向弛豫。

核磁共振豐度和靈敏度

天然豐富的12C的I值為零,沒有核磁共振信號。13C的I值為1/2,有核磁共振信號。通常 說的碳譜就是13C核磁共振譜。由于13C與1H的自旋量子數相同,所以13C的核磁共振原理與1H相同。但13C核的γ值僅約為1H核的1/4,而檢出靈敏度正比于γ3,因此即使是豐度100%的13C 核,其檢出靈敏度也僅為1H核的1/64,再加上13C的豐度僅為1.1%,所以,其檢出靈敏度僅約 為1H核的1/6000。這說明不同原子核在同一磁場中被檢出的靈敏度差別很大,13C的天然豐度 隻有12C的1.108%。由于被檢靈敏度小,豐度又低,因此檢測13C比檢測1H在技術上有更多的困難。下表是幾個自旋量子數為1/2的原子核的天然豐度和相對靈敏度。

幾個自旋核的天然豐度
元素核天然豐度/%
1H99.9844
13C1.108
15N0.365
10F100
31P100

核磁共振儀

目前使用的核磁共振儀有連續波(CN)及脈沖傅裏葉(PFT)變換兩種形式。連續波核磁共 振儀主要由磁鐵、射頻發射器、檢測器、放大器及記錄儀等組成(見下圖)。磁鐵用來產生磁 場,主要有三種:永久磁鐵,電磁鐵[磁感應強度可高達24000 Gs(2.4 T)],超導磁鐵[磁感應強度可高達190000 Gs(19 T)]。頻率高的儀器,解析度好,靈敏度高,圖譜簡單易于分析。磁鐵上 備有掃描線圈,用它來保證磁鐵產生的磁場均勻,並能在一個較窄的範圍內連續精確變化。射頻 發射器用來產生固定頻率的電磁輻射波檢測器和放大器用來檢測和放大共振信號。記錄儀將 共振信號繪製成共振圖譜。

功能特點

核磁共振是一種物理現象,作為一種分析手段廣泛套用于物理、化學生物等領域,到1973年才將它用于醫學臨床檢測。為了避免與核醫學中放射成像混淆,把它稱為核磁共振成像術(MR)。

MR是一種生物磁自旋成像技術,它是利用原子核自旋運動的特點,在外加磁場內,經射頻脈沖激後產生信號,用探測器檢測並輸入電腦,經過處理轉換在螢幕上顯示圖像。

MR提供的信息量不但大于醫學影像學中的其他許多成像術,而且不同于已有的成像術,因此,它對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像,不會產生CT檢測中的偽影;不需註射造影劑;無電離輻射,對機體沒有不良影響。

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