求助,什么叫核吃共振?

【專家解說(shuō)】：核磁共振 nuclear magnetic resonance, NMR 是磁矩不為零的原子核，在外磁場(chǎng)作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過(guò)程。核磁共振波譜學(xué)是光譜學(xué)的一個(gè)分支，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核塞曼能級(jí)上的躍遷。 核磁共振是處于靜磁場(chǎng)中的原子核在另一交變磁場(chǎng)作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說(shuō)的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。 并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因?yàn)榫哂泻俗孕Ｔ雍俗孕a(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場(chǎng)中時(shí)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)核和能級(jí)分裂。在交變磁場(chǎng)作用下，自旋核會(huì)吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。這種過(guò)程就是核磁共振。 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(lái)，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(chǎng)中，用無(wú)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(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像。 核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973年才將它用于醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)。為了避免與核醫(yī)學(xué)中放射成像混淆，把它稱為核磁共振成像術(shù)(MR)。 MR是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號(hào)，用探測(cè)器檢測(cè)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。 MR提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，因此，它對(duì)疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)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(huì)產(chǎn)生CT檢測(cè)中的偽影；不需注射造影劑；無(wú)電離輻射，對(duì)機(jī)體沒(méi)有不良影響。MR對(duì)檢測(cè)腦內(nèi)血腫、腦外血腫、腦腫瘤、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈血管畸形、腦缺血、椎管內(nèi)腫瘤、脊髓空洞癥和脊髓積水等顱腦常見(jiàn)疾病非常有效，同時(shí)對(duì)腰椎椎間盤(pán)后突、原發(fā)性肝癌等疾病的診斷也很有效。 MR也存在不足之處。它的空間分辨率不及CT，帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作MR的檢查，另外價(jià)格比較昂貴。 核磁共振技術(shù)的歷史 1930年代，物理學(xué)家伊西多·拉比發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無(wú)線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1946年兩位美國(guó)科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)生原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實(shí)際用途，化學(xué)家利用分子結(jié)構(gòu)對(duì)氫原子周?chē)艌?chǎng)產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級(jí)譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來(lái)越強(qiáng)，進(jìn)入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測(cè)定成為可能。 1946年，美國(guó)哈佛大學(xué)的珀塞爾和斯坦福大學(xué)的布洛赫宣布，他們發(fā)現(xiàn)了核磁共振NMR。兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎(jiǎng)。核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)（處在無(wú)線電波波段）同時(shí)作用下，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象。核磁共振很快成為一種探索、研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的高新技術(shù)。目前，核磁共振已在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 原子核由質(zhì)子和中子組成，它們均存在固有磁矩。可通俗的理解為它們?cè)诖艌?chǎng)中的行為就像一根根小磁針。原子核在外加磁場(chǎng)作用下，核磁矩與磁場(chǎng)相互作用導(dǎo)致能級(jí)分裂，能級(jí)差與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。如果再同時(shí)加一個(gè)與能級(jí)間隔相應(yīng)的交變電磁場(chǎng)，就可以引起原子核的能級(jí)躍遷，產(chǎn)生核磁共振?？梢?jiàn)，它的基本原理與原子的共振吸收現(xiàn)象類似。 早期核磁共振主要用于對(duì)核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，如測(cè)量核磁矩、電四極距、及核自旋等，后來(lái)廣泛應(yīng)用于分子組成和結(jié)構(gòu)分析，生物組織與活體組織分析，病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無(wú)損監(jiān)測(cè)等方面。對(duì)于孤立的氫原子核（也就是質(zhì)子），當(dāng)磁場(chǎng)為1.4T時(shí)，共振頻率為59.6MHz，相應(yīng)的電磁波為波長(zhǎng)5米的無(wú)線電波。但在化合物分子中，這個(gè)共振頻率還與氫核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫核有不同的共振頻率，稱為化學(xué)位移。這是由核外電子云對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用、誘導(dǎo)效應(yīng)、共厄效應(yīng)等原因引起的。同時(shí)由于分子間各原子的相互作用，還會(huì)產(chǎn)生自旋-耦合裂分。利用化學(xué)位移與裂分?jǐn)?shù)目，就可以推測(cè)化合物尤其是有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。這就是核磁共振的波譜分析。20世紀(jì)70年代，脈沖傅里葉變換核磁共振儀出現(xiàn)了，它使C13譜的應(yīng)用也日益增多。用核磁共振法進(jìn)行材料成分和結(jié)構(gòu)分析有精度高、對(duì)樣品限制少、不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)。 最早的核磁共振成像實(shí)驗(yàn)是由1973年勞特伯發(fā)表的，并立刻引起了廣泛重視，短短10年間就進(jìn)入了臨床應(yīng)用階段。作用在樣品上有一穩(wěn)定磁場(chǎng)和一個(gè)交變電磁場(chǎng)，去掉電磁場(chǎng)后，處在激發(fā)態(tài)的核可以躍遷到低能級(jí)，輻射出電磁波，同時(shí)可以在線圈中感應(yīng)出電壓信號(hào)，稱為核磁共振信號(hào)。人體組織中由于存在大量水和碳?xì)浠衔锒写罅康臍浜?，一般用氫核得到的信?hào)比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號(hào)不同，結(jié)合CT技術(shù)，即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，可以得到人體組織的任意斷面圖像，尤其對(duì)軟組織的病變?cè)\斷，更顯示了它的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)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(gè)前沿課題是對(duì)人腦的功能和高級(jí)思維活動(dòng)進(jìn)行研究的功能性核磁共振成像。人們對(duì)大腦組織已經(jīng)很了解，但對(duì)大腦如何工作以及為何有如此高級(jí)的功能卻知之甚少。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1988年開(kāi)始了這方面的研究，美國(guó)政府還將20世紀(jì)90年代確定為“腦的十年”。用核磁共振技術(shù)可以直接對(duì)生物活體進(jìn)行觀測(cè)，而且被測(cè)對(duì)象意識(shí)清醒，還具有無(wú)輻射損傷、成像速度快、時(shí)空分辨率高（可分別達(dá)到100μm和幾十ms）、可檢測(cè)多種核素、化學(xué)位移有選擇性等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)威斯康星醫(yī)院已拍攝了數(shù)千張人腦工作時(shí)的實(shí)況圖像，有望在不久的將來(lái)揭開(kāi)人腦工作的奧秘。 若將核磁共振的頻率變數(shù)增加到兩個(gè)或多個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用僅限于氫核，但從實(shí)際應(yīng)用的需要，還要求可以對(duì)其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進(jìn)行核磁共振成像。C13已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，但仍需要進(jìn)一步擴(kuò)大和深入。核磁共振與其他物理效應(yīng)如穆斯堡爾效應(yīng)（γ射線的無(wú)反沖共振吸收效應(yīng)）、電子自旋共振等的結(jié)合可以獲得更多有價(jià)值的信息，無(wú)論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應(yīng)用前景，伴隨著脈沖傅里葉技術(shù)已經(jīng)取得了一次突破，使C13譜進(jìn)入應(yīng)用階段，有理由相信，其它核的譜圖進(jìn)入應(yīng)用階段應(yīng)為期不遠(yuǎn)。 另一方面，醫(yī)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論基礎(chǔ)上1969年，紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士達(dá)馬迪安通過(guò)測(cè)核磁共振的弛豫時(shí)間成功的將小鼠的癌細(xì)胞與正常組織細(xì)胞區(qū)分開(kāi)來(lái)，在達(dá)馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學(xué)石溪分校的物理學(xué)家保羅·勞特伯爾于1973年開(kāi)發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)(MRI)，并且應(yīng)用他的設(shè)備成功地繪制出了一個(gè)活體蛤蜊地內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。勞特伯爾之后，MRI技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍日益廣泛，成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷。2003年，保羅·勞特伯爾和英國(guó)諾丁漢大學(xué)教授彼得·曼斯菲爾因?yàn)樗麄冊(cè)诤舜殴舱癯上窦夹g(shù)方面的貢獻(xiàn)獲得了當(dāng)年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。其基本原理：是將人體置于特殊的磁場(chǎng)中，用無(wú)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(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像。 核磁共振的原理 核磁共振現(xiàn)象來(lái)源于原子核的自旋角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)。 根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動(dòng)量，其自旋角動(dòng)量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同： 質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0 質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù) 質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù) 迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號(hào)才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P 由于原子核攜帶電荷，當(dāng)原子核自旋時(shí)，會(huì)由自旋產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)量成正比。將原子核置于外加磁場(chǎng)中，若原子核磁矩與外加磁場(chǎng)方向不同，則原子核磁矩會(huì)繞外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)具有能量也具有一定的頻率。 原子核進(jìn)動(dòng)的頻率由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說(shuō)，對(duì)于某一特定原子，在一定強(qiáng)度的的外加磁場(chǎng)中，其原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率是固定不變的。 原子核發(fā)生進(jìn)動(dòng)的能量與磁場(chǎng)、原子核磁矩、以及磁矩與磁場(chǎng)的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核磁矩與外加磁場(chǎng)之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級(jí)。當(dāng)原子核在外加磁場(chǎng)中接受其他來(lái)源的能量輸入后，就會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場(chǎng)的夾角會(huì)發(fā)生變化。這種能級(jí)躍遷是獲取核磁共振信號(hào)的基礎(chǔ)。