日前,由中國(guó)科學(xué)院電工研究所承擔(dān)的“低場(chǎng)脈沖核磁共振分析測(cè)量?jī)x”項(xiàng)目順利通過(guò)了中國(guó)科學(xué)院組織的專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目由我國(guó)自行研制、具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白,達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平,部分指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。該項(xiàng)目的順利完成表明我國(guó)已經(jīng)掌握了低場(chǎng)脈沖核磁共振核心技術(shù)。
核磁共振技術(shù)向低場(chǎng)脈沖方向發(fā)展是繼高場(chǎng)波譜技術(shù)、醫(yī)用成像技術(shù)之后的又一發(fā)展趨勢(shì),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(tái)的應(yīng)用可拓展到石油、天然氣的勘探、核磁共振測(cè)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(shí)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(cè)試提供了一項(xiàng)快速、無(wú)損、無(wú)需制備樣品和無(wú)毒無(wú)副作用的新方法。目前,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)公布了五項(xiàng)采用低場(chǎng)脈沖核磁共振技術(shù)無(wú)損同步檢測(cè)含油種子含油量和水分含量以及動(dòng)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(chǎng)脈沖核磁共振分析測(cè)量?jī)x器在我國(guó)工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ);為我國(guó)突破國(guó)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(tái)。
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。
磁矩是由許多原子核所具有的內(nèi)部角動(dòng)量或自旋引起的,自1940年以來(lái)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(duì)核粒子的磁矩進(jìn)行了第一次粗略測(cè)定。美國(guó)哥倫比亞的I·I·拉比(Rabi生于1898年)的實(shí)驗(yàn)室在這個(gè)領(lǐng)域的研究中獲得了進(jìn)展。這些研究對(duì)核理論的發(fā)展起了很大的作用。
當(dāng)受到強(qiáng)磁場(chǎng)加速的原子束加以一個(gè)已知頻率的弱振蕩磁場(chǎng)時(shí)原子核就要吸收某些頻率的能量,同時(shí)躍遷到較高的磁場(chǎng)亞層中。通過(guò)測(cè)定原子束在頻率逐漸變化的磁場(chǎng)中的強(qiáng)度,就可測(cè)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(lái)通過(guò)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(cè)定了水中質(zhì)子的共振吸收,而珀塞爾小組第一次測(cè)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(lái),這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)迅速得到了發(fā)展。物理學(xué)家利用這門(mén)技術(shù)研究原子核的性質(zhì),同時(shí)化學(xué)家利用它進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的鑒定和分析工作,以及研究絡(luò)合物、受阻轉(zhuǎn)動(dòng)和固體缺陷等方面。1949年,W·D·奈特證實(shí),在外加磁場(chǎng)中某個(gè)原子核的共振頻率有時(shí)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(gè)獨(dú)立的峰,分別對(duì)應(yīng)于CH3、CH2和OH鍵中的幾個(gè)質(zhì)子。這種所謂化學(xué)位移是與價(jià)電子對(duì)外加磁場(chǎng)所起的屏蔽效應(yīng)有關(guān)。
(1)70年代以來(lái)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(lái)獲得有機(jī)物的結(jié)構(gòu)信息已成為常規(guī)測(cè)試手段。近20年來(lái)核磁共振技術(shù)在譜儀性能和測(cè)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(chǎng)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(kāi)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(lì)和檢測(cè)技術(shù)有了很大的提高。此外,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,不僅能對(duì)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(duì)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(wèn)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(wèn)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(guò)化學(xué)鍵的自旋偶合相關(guān),通過(guò)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(guò)化學(xué)鍵或空間關(guān)系相互連接,這不僅大大簡(jiǎn)化了分子結(jié)構(gòu)的解析過(guò)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(hào)的分離能力,減少了共振信號(hào)間的重疊,并且能提供許多1D—NMR波譜無(wú)法提供的結(jié)構(gòu)信息,如互相重疊的共振信號(hào)中每一組信號(hào)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(hào)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(guò)程就是NMR信號(hào)的歸屬過(guò)程,解析過(guò)程的完成也就同時(shí)完成了NMR信號(hào)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(cè)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(cè)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(hào)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(hào)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(guò)空間的連接關(guān)系,而且能用來(lái)研究核在空間的相互排布即分子的構(gòu)型和構(gòu)象問(wèn)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(shí)間內(nèi),已有1000余篇論文和數(shù)十種評(píng)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(jiǎn)化圖譜,改善和提高檢測(cè)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(lì)技術(shù),進(jìn)一步發(fā)展多量子技術(shù),通過(guò)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(cè)分子內(nèi)核與核之間的特定相關(guān)關(guān)系?;蛲ㄟ^(guò)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(wèn)題。
②“反向”和“接力”的檢測(cè)技術(shù),在異核相關(guān)譜方面,采用反向檢測(cè)(稱之為inverseNMR,即通過(guò)H檢測(cè)來(lái)替代以往的用雜核檢測(cè)的測(cè)試方法)可大大提高異核相關(guān)譜的檢測(cè)靈敏度(約1個(gè)數(shù)量級(jí))。在同核相關(guān)譜方面,通過(guò)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(lái)解決復(fù)雜分子(包括生物大分子)的自旋偶合解析和信號(hào)歸屬問(wèn)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(duì)十分復(fù)雜的NMR信號(hào)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(duì)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(jí)數(shù)增加,近來(lái)已出現(xiàn)3D—NMR技術(shù)來(lái)替代2D—NMR方法,用于生物大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)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(hào)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)解析過(guò)程。3D—NMR測(cè)定方法的廣泛使用還有待于測(cè)定方法進(jìn)一步改進(jìn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。
⑤與分子力學(xué)計(jì)算相結(jié)合,發(fā)展分子模型技術(shù)。在NNR信號(hào)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(jì)算分子三維立體構(gòu)造的技術(shù)近年來(lái)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(dòng)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(wèn)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(wèn)題有待解決,例如在運(yùn)動(dòng)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(gè)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(guò)程時(shí)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(dòng)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(duì)于糖化學(xué)的應(yīng)用將顯示出越來(lái)越大的潛力,采用NMR技術(shù)來(lái)測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)特征,了解化學(xué)反應(yīng)的中間態(tài)及相互匹配時(shí)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(guò)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(lái)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。
如果有一束頻率為ω的電磁輻射照射自旋核,當(dāng)ω=ω0時(shí),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(cè)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(chǎng)H0上附加一個(gè)可變的磁場(chǎng)。兩者疊加的結(jié)果使有效磁場(chǎng)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(chǎng)中的樣品上,并用射頻接收器測(cè)量經(jīng)樣品吸收后的射頻輻射能。在樣品無(wú)吸收時(shí),則接收的能量為一定值;如果有吸收,就會(huì)給出一個(gè)能量吸收信號(hào)。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(shí)具有相同的并與射頻頻率相等的進(jìn)動(dòng)頻率,即ω=ω0。這樣,不同的自旋核都可以在某一特征的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度(實(shí)際上是以旋磁比)為特征的吸收信號(hào)。以磁場(chǎng)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(duì)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(gè)部分組成。①磁鐵:它的作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的高強(qiáng)度磁場(chǎng),即H0。②掃描發(fā)生器:在一對(duì)磁極上繞制的一組磁場(chǎng)掃描線圈,用以產(chǎn)生一個(gè)附加的可變磁場(chǎng),疊加在固定磁場(chǎng)上,使有效磁場(chǎng)強(qiáng)度可變,以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)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(hào)檢測(cè)器和記錄儀:檢測(cè)器的接收線圈繞在試樣管周圍。當(dāng)某種核的進(jìn)動(dòng)頻率與射頻頻率匹配而吸收射頻能量產(chǎn)生核磁共振時(shí),便會(huì)產(chǎn)生一信號(hào)。記錄儀自動(dòng)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(chǎng)中的某一確定位置。整個(gè)試樣探頭是迅速旋轉(zhuǎn)的,以減少磁場(chǎng)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(lái)命名的,1H共振頻率=42.57708×Ho(MHz),其中Ho為磁場(chǎng)強(qiáng)度,單位為T(mén)(特斯拉)。例如,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為4.7T時(shí),共振頻率就是200MHz。
目前,一種低分辨、低磁場(chǎng)強(qiáng)度(2-65MHz )、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的小型核磁共振譜儀,通常通過(guò)測(cè)量質(zhì)子的不同的核磁共振參數(shù),對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行成分或性能分析;商用的高場(chǎng)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(guó)的Bruker公司,美國(guó)的Varian公司和日本的JEOL公司,三公司各有所長(zhǎng)。
【答案】:為了提高單位時(shí)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(shí)間短的無(wú)線電脈沖波來(lái)代替連續(xù)掃描核磁共振譜儀中對(duì)樣品連續(xù)掃描的無(wú)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(shí)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(hào),即時(shí)間域函數(shù),然后以電子計(jì)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(cè)定速度快,易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)累加技術(shù),從而大大提高了測(cè)定靈敏度,可以測(cè)定從共振信號(hào)強(qiáng)的1H,19F到共振信號(hào)弱的13C,15N。另外,它還可以進(jìn)行核的動(dòng)態(tài)過(guò)程及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面的研究。
低場(chǎng)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(jiàn)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(jì)及測(cè)試。低場(chǎng)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(jiàn)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(jì)及測(cè)試。
本文地址:http://m.mcys1996.com/zhongyizatan/80169.html.
聲明: 我們致力于保護(hù)作者版權(quán),注重分享,被刊用文章因無(wú)法核實(shí)真實(shí)出處,未能及時(shí)與作者取得聯(lián)系,或有版權(quán)異議的,請(qǐng)聯(lián)系管理員,我們會(huì)立即處理,本站部分文字與圖片資源來(lái)自于網(wǎng)絡(luò),轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的,若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請(qǐng)立即通知我們(管理員郵箱:douchuanxin@foxmail.com),情況屬實(shí),我們會(huì)第一時(shí)間予以刪除,并同時(shí)向您表示歉意,謝謝!
上一篇: 中科院生物芯片儀器研制通過(guò)鑒定