日前,由中国科学院电工研究所承担的“低场脉冲核磁共振分析测量仪”项目顺利通过了中国科学院组织的专家验收。该项目由我国自行研制、具有完整自主知识产权,填补了我国在这一领域的空白,达到了国际同类产品的先进水平,部分指标处于国际领先地位。该项目的顺利完成表明我国已经掌握了低场脉冲核磁共振核心技术。
核磁共振技术向低场脉冲方向发展是继高场波谱技术、医用成像技术之后的又一发展趋势,由电磁、电子、控制等技术和近代物理学、分析化学、地球物理学等学科的交叉结合而成,是核磁共振技术从面向科学研究、高档医疗诊断等高端需求,向工农业生产和地下资源勘探等普遍需求转变的关键技术,以此技术为核心平台的应用可拓展到石油、天然气的勘探、核磁共振测井仪、地下水的查找、地面核磁共振找水仪、矿产、考古等地下资源的调查、核磁共振磁力仪等。该技术同时也为食品、农产品、石化、医药、纺织、环保等行业的分析测试提供了一项快速、无损、无需制备样品和无毒无副作用的新方法。目前,国际标准化组织已经公布了五项采用低场脉冲核磁共振技术无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量的标准。
有关专家认为,该项研究为低场脉冲核磁共振分析测量仪器在我国工农业中的应用打下了坚实的产业基础;为我国突破国外技术封锁,自行研制勘探地下资源的核磁共振仪器奠定了厚实的技术积累;为核磁共振技术的创新应用提供了完整的技术平台。
核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来,它以极快的速度得到发展。其基本原理:是将人体置于特殊的磁场中,用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核,引起氢原子核共振,并吸收能量。在停止射频脉冲后,氢原子核按特定频率发出射电信号,并将吸收的能量释放出来,被体外的接受器收录,经电子计算机处理获得图像,这就叫做核磁共振成像。
磁矩是由许多原子核所具有的内部角动量或自旋引起的,自1940年以来研究磁矩的技术已得到了发展。物理学家正在从事的核理论的基础研究为这一工作奠定了基础。1933年,G·O·斯特恩(Stern)和I·艾斯特曼(Estermann)对核粒子的磁矩进行了第一次粗略测定。美国哥伦比亚的I·I·拉比(Rabi生于1898年)的实验室在这个领域的研究中获得了进展。这些研究对核理论的发展起了很大的作用。
当受到强磁场加速的原子束加以一个已知频率的弱振荡磁场时原子核就要吸收某些频率的能量,同时跃迁到较高的磁场亚层中。通过测定原子束在频率逐渐变化的磁场中的强度,就可测定原子核吸收频率的大小。这种技术起初被用于气体物质,后来通过斯坦福的F.布络赫(Bloch生于1905年)和哈佛大学的E·M·珀塞尔(Puccell生于1912年)的工作扩大应用到液体和固体。布络赫小组第一次测定了水中质子的共振吸收,而珀塞尔小组第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。自从1946年进行这些研究以来,这个领域已经迅速得到了发展。物理学家利用这门技术研究原子核的性质,同时化学家利用它进行化学反应过程中的鉴定和分析工作,以及研究络合物、受阻转动和固体缺陷等方面。1949年,W·D·奈特证实,在外加磁场中某个原子核的共振频率有时由该原子的化学形式决定。比如,可看到乙醇中的质子显示三个独立的峰,分别对应于CH3、CH2和OH键中的几个质子。这种所谓化学位移是与价电子对外加磁场所起的屏蔽效应有关。
(1)70年代以来核磁共振技术在有机物的结构,特别是天然产物结构的阐明中起着极为重要的作用。目前,利用化学位移、裂分常数、H—′HCosy谱等来获得有机物的结构信息已成为常规测试手段。近20年来核磁共振技术在谱仪性能和测量方法上有了巨大的进步。在谱仪硬件方面,由于超导技术的发展,磁体的磁场强度平均每5年提高1.5倍,到80年代末600兆周的谱仪已开始实用,由于各种先进而复杂的射频技术的发展,核磁共振的激励和检测技术有了很大的提高。此外,随着计算机技术的发展,不仅能对激发核共振的脉冲序列和数据采集作严格而精细的控制,而且能对得到的大量的数据作各种复杂的变换和处理。在谱仪的软件方面最突出的技术进步就是二维核磁共振(2D—NMR)方法的发展。它从根本上改变了NMR技术用于解决复杂结构问题的方式,大大提高了NMR技术所提供的关于分子结构信息的质和量,使NMR技术成为解决复杂结构问题的最重要的物理方法。
①2D—NMR技术能提供分子中各种核之间的多种多样的相关信息,如核之间通过化学键的自旋偶合相关,通过空间的偶极偶合(NOE)相关,同种核之间的偶合相关,异种核之间的偶合相关,核与核之间直接的相关和远程的相关等。根据这些相关信息,就可以把分子中的原子通过化学键或空间关系相互连接,这不仅大大简化了分子结构的解析过程,并且使之成为直接可靠的逻辑推理方法。
②2D—NMR的发展,不仅大大提高了大量共振信号的分离能力,减少了共振信号间的重叠,并且能提供许多1D—NMR波谱无法提供的结构信息,如互相重叠的共振信号中每一组信号的精细裂分形态,准确的耦合常数,确定耦合常数的符号和区分直接和远程耦合等。
③运用2D—NMR技术解析分子结构的过程就是NMR信号的归属过程,解析过程的完成也就同时完成了NMR信号的归属。完整而准确的数据归属不仅为分子结构测定的可靠性提供了依据,而且为复杂生物大分子的溶液高次构造的测定奠定了基础。
④2D—NMR的发展导致了杂核(X—NMR),特别是13C—NMR谱的广泛研究和利用。杂核大多是低丰度,低灵敏度核种,由于灵敏度低和难以信号归属,以往利用不多。但X—NMR谱包含有大量的有用结构信息,新颖的异核相关谱(HET—Cosy)提供的异核之间的相关信息(如H—C,C—C,H—P,H—N)不仅为这些杂核的信号归属提供了依据,而且能提供H—NMR所不能提供的重要结构信息。
⑤2D—NMR技术的发展也促进了NOE的研究和应用的发展。NOE反映了核与核在空间的相互接近关系,因此它不仅能提供核与核之间(或质子自旋耦合链之间)通过空间的连接关系,而且能用来研究核在空间的相互排布即分子的构型和构象问题。
2D—NMR技术由于其突出的优点和巨大的潜力,在谱仪硬件能够满足2D—NMR实验(即进入80年代)以后的短短几年时间内,已有1000余篇论文和数十种评论和专著出现。
(2)NMR中新的实验和应用几乎每天都在出现,NMR技术本身今后将继续就如何得到更多的相关信息,简化图谱,改善和提高检测灵敏度等几方面进行发展,其中最富有发展前景的新技术有:
①选择和多重选择激励技术,进一步发展多量子技术,通过采用先进的射频技术激发那些在通常情况下禁阻的,极其微弱的多量子跃迁。选择性地探测分子内核与核之间的特定相关关系。或通过特形脉冲(shaped pulse)和软脉冲选择性地激发某些特定的核,集中研究某些感兴趣的结构问题。
②“反向”和“接力”的检测技术,在异核相关谱方面,采用反向检测(称之为inverseNMR,即通过H检测来替代以往的用杂核检测的测试方法)可大大提高异核相关谱的检测灵敏度(约1个数量级)。在同核相关谱方面,通过接力相干转移(RCT—1),多重接力相干迁移(RCT—2)和各向同性混合的相干转移技术(如HOHAHA)可用来解决复杂分子(包括生物大分子)的自旋偶合解析和信号归属问题。
③发展并应用谱的编辑技术,利用NMR本身在激发和接收方面的多种多样的选择和压制技术,可对十分复杂的NMR信号进行分类编辑。
④发展三维核磁共振(3D—NMR)技术,随着NMR的研究对象向生物大分子转移,NMR技术所提供的结构信息的数量和复杂性呈几何级数增加,近来已出现3D—NMR技术来替代2D—NMR方法,用于生物大分子的结构测定。初步探索的结果表明3D—NMR方法不仅进一步提高了信号的分离能力,并且能提供许多2D—NMR方法所不能提供的结构信息,大大简化结构解析过程。3D—NMR测定方法的广泛使用还有待于测定方法进一步改进和计算机技术的进步。
⑤与分子力学计算相结合,发展分子模型技术。在NNR信号完全归属的基础上,利用NOE所提供的分子中质子间的距离信息、计算分子三维立体构造的技术近年来在多肽和小蛋白质分子的研究中取得了巨大的成功。以距离几何算法和分子动力学为基础的分子模型技术(molecular modelling)正在逐步应用于其它各种生物分子的溶液构象问题。但在大分子与小分子或小分子与小分子相互作用的体系还有许多问题有待解决,例如在运动条件不利的体系中如何得到距离信息和距离信息的精度等。
(3)NMR波谱技术今后最富有前景的应用领域有以下几个方面:
①继续帮助有机化学家从自然界寻找具有生物活性的新颖有机化合物,今后这方面的研究重点是结构与活性的关系。即研究这些物质在参与生命过程时与生物大分子(如受体)或其它小分子相互作用的结构特征和动态特征。
②更多地用于多肽和蛋白质在溶液中高次构造的解析,成为蛋白质工程和分子生物学中研究蛋白质结构与功能关系的重要工具。并朝着采用稳定同位素标记光学CIDNP法与2D—NMR,3D—NMR技术相结合的方向发展。
③NMR技术将广泛用于核酸化学,确定DNA的螺旋结构的类型和它的序列特异性。研究课题将集中在核酸与配体的相互作用,其中核酸与蛋白质分子、核酸与小分子药物的相互作用是最重要的方面。
④NMR技术对于糖化学的应用将显示出越来越大的潜力,采用NMR技术来测定寡糖的序列,连接方式和连接位置,确定糖的构型和寡糖在溶液中的立体化学以及与蛋白质相互作用的结构特征和动态特征将是重要的研究领域。
⑤NMR技术将更多地用于研究动态的分子结构和在快速平衡中的变化。以深层理解分子的结构,描示结构的动态特征,了解化学反应的中间态及相互匹配时能量的变化。
⑥NMR技术将进一步深入生命科学和生物医学的研究领域,研究生物细胞和活组织的各种生理过程的生物化学变化。
以上都是与溶液NMR研究有关的领域,近年来固体NMR研究的NMR成象(imaging)技术也取得了巨大的进步,并在材料科学和生物医学研究方面继续发挥重要的作用。
如果有一束频率为ω的电磁辐射照射自旋核,当ω=ω0时,则自旋核将吸收其辐射能而产生共振,即所谓核磁共振。吸收能量的大小取决于核的多少。这一事实,除为测量 γ提供途径外,也为定量分析提供了根据。具体的实现方法是:在固定磁场H0上附加一个可变的磁场。两者叠加的结果使有效磁场在一定范围内变化,即H0在一定范围内可变。另置一能量和频率稳定的射频源,它的电磁辐射照射在处于磁场中的样品上,并用射频接收器测量经样品吸收后的射频辐射能。在样品无吸收时,则接收的能量为一定值;如果有吸收,就会给出一个能量吸收信号。但吸收的条件必须是射频的频率ω=ω0。射频的频率是固定的,要使具有不同 γ值的不同原子核都能吸收辐射能,就只有改变H0,使不同的自旋核在相应的某一特定的H0时具有相同的并与射频频率相等的进动频率,即ω=ω0。这样,不同的自旋核都可以在某一特征的磁场强度下吸收射频辐射能而产生核磁共振。因此,用改变磁场强度的方法进行扫描,接收器就可以给出一系列的以磁场强度(实际上是以旋磁比)为特征的吸收信号。以磁场强度为横坐标,以吸收能量为纵坐标绘出的曲线就是核磁共振波谱图(图中b)。其中横坐标就是定性分析所依据的参数,纵坐标对应于不同H0的出峰面积就是定量分析参数。
图中c是核磁共振波谱仪的原理图。它主要由5个部分组成。①磁铁:它的作用是提供一个稳定的高强度磁场,即H0。②扫描发生器:在一对磁极上绕制的一组磁场扫描线圈,用以产生一个附加的可变磁场,叠加在固定磁场上,使有效磁场强度可变,以实现磁场强度扫描。③射频振荡器:它提供一束固定频率的电磁辐射,用以照射样品。④吸收信号检测器和记录仪:检测器的接收线圈绕在试样管周围。当某种核的进动频率与射频频率匹配而吸收射频能量产生核磁共振时,便会产生一信号。记录仪自动描记图谱,即核磁共振波谱。⑤试样管:直径为数毫米的玻璃管,样品装在其中,固定在磁场中的某一确定位置。整个试样探头是迅速旋转的,以减少磁场不均匀的影响。
核磁共振谱仪的共振频率是根据1H的频率来命名的,1H共振频率=42.57708×Ho(MHz),其中Ho为磁场强度,单位为T(特斯拉)。例如,当磁场强度为4.7T时,共振频率就是200MHz。
目前,一种低分辨、低磁场强度(2-65MHz )、结构简易的小型核磁共振谱仪,通常通过测量质子的不同的核磁共振参数,对被测样品进行成分或性能分析;商用的高场谱仪为200-950MHz;1G(即1000MHz)的谱仪已经研制出,但尚未商用。
世界上主要的核磁共振谱仪生产商有德国的Bruker公司,美国的Varian公司和日本的JEOL公司,三公司各有所长。
【答案】:为了提高单位时间的信息量,加快分析速度,脉冲-傅里叶变换核磁共振谱仪(PET-NMR),用强度大而持续时间短的无线电脉冲波来代替连续扫描核磁共振谱仪中对样品连续扫描的无线电波,以适当宽度的射频脉冲作为“多道发射机”,使所选的核同时激发,得到这些核的多条谱线混合的自由感应衰减信号,即时间域函数,然后以电子计算机进行快速的傅里叶变换作为“多道接受机”,变换出各条谱线在频率中的位置及强度,得到正常的NMR谱。脉冲-傅里叶变换核磁共振谱仪测定速度快,易于实现信号累加技术,从而大大提高了测定灵敏度,可以测定从共振信号强的1H,19F到共振信号弱的13C,15N。另外,它还可以进行核的动态过程及反应动力学等方面的研究。
低场核磁共振分析方法包含弛豫分析法及成像法,本次培训重点讨论核磁共振弛豫基本原理,以FID为例讲解弛豫通用参数设置方法,并讨论常见基本故障排除方法,旨在使广大同学从本质上理解弛豫分析方法,指导实验设计及测试。低场核磁共振分析方法包含弛豫分析法及成像法,本次培训重点讨论核磁共振弛豫基本原理,以FID为例讲解弛豫通用参数设置方法,并讨论常见基本故障排除方法,旨在使广大同学从本质上理解弛豫分析方法,指导实验设计及测试。
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