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1、核磁共振技术及其应用 蒋作宏 中国科学技术大学,核磁共振信号的检测和处理 核磁共振新技术及应用,概 述,核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ,由于其可深入物质内部而不破坏样品 ,并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用 ,已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科 ,在科研和生产中发挥了巨大作用 。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的,两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来,核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。,12位因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家,1944
2、年 I.Rabi1952年 F.Block1952年 E.M.Purcell1955年 W.E.Lamb1955年 P.Kusch1964年 C.H.Townes1966年 A.Kastler1977年 J.H.Van Vleck1981年 N.Bloembergen1983年 H.Taube1989年 N.F.Ramsey1991年 R.R.Ernst,核磁共振基本原理,核磁共振原理 实现核磁共振的两种方法 检测共振信号的方法 傅里叶(Fourier)变换,核磁共振原理 半数以上的原子核具有自旋,旋转时产生一小磁场。当加一外磁场,这些原子核的能级将分裂,既塞曼效应。,在外磁场B0中塞曼分裂图
3、:,共振条件: = 0 = 0 实现核磁共振的两种方法,a扫场法: 改变0 b扫频法: 改变,检测共振信号的方法,吸收法感应法平衡法,优点是比较简单,样品不易饱和,缺点是振荡频率的稳定性较差,噪音电平较高。一般只用于宽谱的波谱仪与测场仪,优点是工作稳定度高,噪音低,但漏电流相位不易调整。常用在商业波谱仪,优点是频率稳定好,噪音低,缺点是频率调谐范围不够宽。常用于灵敏度和分辨力高的波谱仪,傅里叶(Fourier)变换,时域信号 F变换 频域信号 频域谱S(t1,t2,) S(1, 2,),核磁共振新技术,核磁双共振 二维核磁共振NMR成像技术魔角旋转技术 极化转移技术,核磁双共振,双核自旋系统,
4、检测器,2,扰动,1脉冲,双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上,第一射频场B1使某种核共振,第二射频场B2使另外一种核共振,这样两个原子核同时发生共振。,第二射频场为干扰场,通常用一个强射频场干扰图谱中某条谱线,另一个射频场观察其他谱线的强度、形状和精细结构的变化,从而确定各条谱线之间的关系,区分相互重叠的谱线。,二维核磁共振及多维核磁共振 二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化,它将挤在一维谱中的谱线在二维空间展开(二维谱),从而较清晰地提供了更多的信息。,NMR成像技术,投影重建成像方法 Fourier成像方法 弛豫时间成像方法 逐点扫描方法 线扫描方法 切片扫描
5、方法 高分率成像和快速成像法,Fourier成像方法 Fourier成像是应用十分广泛的一种方法,它与二维(多维)NMR相似。,魔角旋转技术,在固体中自旋之间的耦合较强,共振谱较宽,掩盖了其他精细的谱线结构,耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关,其因子是(3cos2-1),如果有一种方法使=54.440(魔角),则3cos-1=0,相互作用减小,达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的旋转来达到减小相互作用的,当样品高速旋转时与的差别就会平均掉。,极化转移技术,灵敏核 非灵敏核,检测 (非灵敏核),J,脉冲序列1,脉冲序列2,极化转移(PT)是一种非常实技术,它用二种特殊的脉冲序
6、列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移,从而提高非灵敏核的观测灵敏度,基本的技巧是从高灵敏度的富核处“借”到了极化强度。,核磁共振应用,核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术,还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图(1D)发展到如今的二维(2D)、三维(3D)甚至四维(4D)谱图,陈旧的实验方法被放弃,新的实验方法迅速发展,它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团,都可以听到核磁共振这个名词,包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保
7、、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国,其应用主要在基础研究方面,企业和商业应用普及率不高,主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。,一些实际的应用,分子结构的测定 化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用 动力学核磁研究 质子密度成像 T1T2成像 化学位移成像 其它核的成像 指定部位的高分辨成像 元素的定量分析 有机化合物的结构解析 表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定 大分子化学结构的分析,生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究 生命组织研究中的应用 生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析 涂料分析 农药鉴定 食品分析 药品鉴定,THE END THANKS,