核磁共振技术仪器与应用最新发展情况

【核心介绍】核磁共振技术仪器与应用最新发展情况核磁共振是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。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科，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。 　

核磁共振技术仪器与应用最新发展情况

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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。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科，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。

基本技术原理

人们对核磁共振的最初认识是在1946年，费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象。后来，经过不断完善，人们逐渐对这一现象有了更深一步的了解。

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。

另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，这就是后来在医学领域著名的核磁共振检测技术的开端。

核磁共振现象

原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩（μ）。μ=γP式中，P是角动量矩，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角动量矩之间的比值，因此是各种核的特征常数。当自旋核（spin nuclear）处于磁感应强度为的外磁场中时，除自旋外，还会绕B0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动（larmor process）。自旋核进动的角速度ω0与外磁场感应强度B0成正比，比例常数即为磁旋比（magnetogyric ratio)γ。式中ν0是进动频率。ω0=2πν0=γB0原子核在无外磁场中的运动情况如下图，微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的（方向量子化），自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+ l个取向，每一个取向都可以 用一个自旋磁盘子数m来表示，m与I之间的关系是（m=I,I-1,I-2…-I）。

原子核在无外磁场中的运动

原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，I值为1/2的核在外磁场作用下 只有两种取向，各相当于m=1/2和m=-1/2，这两种状态之间的能量差ΔE值为（ΔE=γhB0/2π）

一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收ΔE的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频 率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核 吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当频率为ν射的射频照射自旋体系时，由于该射频的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的条件为hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0）。

核磁感应模型

目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振(Proton Magnetic Resonance），简称PMR，也表示为1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）简称CMR，也表示为13C-NMR。

核磁共振技术现阶段应用方面

现阶段，核磁共振技术主要应用于生活中的各个方面，尤其在化学、生物、地质、医疗临床检测方面尤为普及。

生物方面

核磁共振技术是天然产物尤其是复杂化合物结构鉴定与分析研究不可缺少的手段，利用核磁共振波谱可以方便的提供不同分析结构上的细小差别，包括同分异结构与立体一结构化合物。近年来核磁共振检测频繁应用于蛋白质和酶的分析与结构鉴定。

一般情况下，蛋白质在稀溶液状态下，课通过核磁共振技术得到反应微点的NMR参数来决定蛋白质的三级结构。这些参数包括弛豫时间（ralaxation），化学位移（chemical shift）,自悬合（spin coupling），NOE效应（nuclear overhauser effect），磁化量转移（magentization transfer），自旋标记（span labeling）等。

地质方面

常规的水文探测方法主要是通过，直流电法，电磁法，放射性探测，依靠不同岩性之间的物理差距，通过测量分析其物理场分布，变化规律来间接查明有关水文地质问题，在有些地区难以取得良好的效果。而现如今，核磁共振探测法可以取得不一样的效果。

该方法应用核磁感应系统（MRS），通过有小到大的改变激发电流脉冲的幅值和持续时间探测由浅至深的含水层的幅存状态。地面核磁共振方法是一种直接的探测地质的地球物理新技术，与传统的地球物理探测地质方法相比，具有信息量丰富，分辨率高等特点，并且相对于其它间接探测地球物理方法的多样性，其成功率较高，对水位埋深和含水层的厚度反应误差较小。但是现阶段，也存在着体积小大，探测距离小，效率慢等特点，稳定性和抗干扰能力仍需进一步提升。

医疗方面

随着科学技术的发展，20世纪70年代初期X-CT的问世以及计算机技术的迅猛发展，存进了计算机技术与核磁共振谱学的结合，诞生了核磁共振CT。它的诞生将医用成像技术推到了一个新的高度。

现阶段，核磁共振在医学上主要应用于人体内部结构成像显示，探查人体内部病因所在，及时显示致病部位内部结构图。其主要原理仍然取决于人体水分含量较大，氢原子丰富的客观条件。

核磁共振医疗仪器

含单数质子的原子核,如人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,磁矩方向无一定规律。将其置于均匀的强磁场B0中,原子核磁矩按磁场磁力线的方向重新排列,若在垂直于B0方向上再施加一交变磁场B1,称电磁辐射或射频(RF),当射频脉冲频率ω与恒定磁场B0满足拉莫尔方程：ω=γB0时，氢核系统将吸收电磁波的能量,使部分氢核被激发,即发生了核磁共振现象。停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把吸收的能量逐步释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状 态。这一恢复过程称之为弛豫过程。完成此过程一般分两步进行,第一步是氢核之间先达到平衡,此时各磁矩在水平方向的磁性将互相抵消,从宏观上看磁矩水平分量趋近于零,所以称为横向弛豫过程,由于这个过程是同种核相互交换能量的过程,所以又叫自旋-自旋弛豫过程。反映横向磁化衰减、丧失的过程,也即横向磁化所维持的时间,称横向弛豫时间T1。第二步是整个氢核磁矩系统与周围环境之间恢复到平衡状态,这个过程是氢核系统吸收能量,偏离磁场方向,其宏观磁矩在纵向的分量,由小到大,最后达到未偏离磁场方向以前宏观磁矩的大小,所以这个过程叫纵向弛豫过程。由于这个过程是氢核与周围物质进行热交换,最后达到热平衡，故又称为自旋-晶格弛豫过程。反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需的时间,称纵向弛豫时间T2。

人体不同器官的正常组织与病理组织的T1、T2是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础。

核磁共振探测发展最新动态

2015年8月16—21日，第19届国际磁共振大会在上海举行。由国际磁共振学会（ismar）每两年举办一次的国际磁共振大会是国际磁共振领域最重要、最高水平的全球性学术盛会。本次会议是该大会首次在中国大陆召开，吸引了来自30多个国家的近700位著名科学家参会。本次大会由华东师范大学主要承办，共同承办单位包括上海张江国家自主创新示范区、上海国际医学园区、中国物理学会波谱学专业委员会、复旦大学及武汉数学物理研究所。

磁共振技术是一种有着广泛应用的分析检测手段，不仅是物质微观结构研究中不可或缺的工具，而且也已成为现代医学临床诊断的重要手段。在过去的几十年间核磁共振的应用研究和技术研发一直是国际上的研究热点。多维核磁共振、磁共振成像、用核磁共振波谱技术确定溶液蛋白构象、功能磁共振成像等技术的出现，彻底改变了相关学科的面貌，相关的发明人（共7位）先后获得了诺贝尔奖，而且核磁共振本身仍然处在不断完善和发展的过程之中。值得一提的是磁共振在脑研究中的应用，功能磁共振成像已成为目前研究大脑功能最有效的手段之一。

磁共振检测技术最新产品及生产厂家

现阶段，随着科学技术的不断提升，核磁共振技术得到较大的发展，近些年来涌现出一大批有关核磁共振的检测仪器，无论是生物化学还是地质医疗方面都核磁共振这项技术。很多厂家都退出了自己企业生产的核磁共振设备。

生物方面

核磁共振波谱仪，生产厂家：岳阳奥成科技有限公司、塞尔伯恩精密仪器（上海）、赛默飞世尔科技

布鲁克超导磁体核磁共振谱仪，生产厂家：山东欧莱德有限公司

农作物含油率测定仪，生产厂家：北京维欣仪奥科科技发展有限公司

化学方面

台式核磁共振波谱仪，生产厂家：北京欧蓓尔科学仪器有限公司

地质方面

KT-100S型物探仪，生产厂家：上海诺彩贸易有限公司
MY6902电波综合效验仪，生产厂家：上海米远电器有限公司
MRS-3型核磁共振找水仪 ，生产厂家：济宁市鑫兖矿山机械设备有限公司
FD-3017A型测氡找水仪，生产厂家：上海艾都
NMRC 核磁共振纳米孔隙分析仪，生产厂家：苏州纽迈分析仪器股份有限公司
高分辨率核磁共振钻井液油水分析仪，生产厂家：苏州纽迈分析仪器股份有限公司
MesoMR 核磁共振孔隙结构分析与成像系统，生产厂家：苏州纽迈分析仪器股份有限公司
医疗科学方面
核磁共振NMR)波谱仪，生产厂家：布鲁克北京科技有限公司
磁场强度检测仪，生产厂家：深圳市一测医疗测试技术有限公司
核磁共振无触点稳压电源，生产厂家：深圳安瑞达新能源科技有限公司
核磁共振成像仪，生产厂家：德国西门子公司、上海济阳科技发展有限公司、广州微普化工分析技术有限公司。

随着检测技术水平的不断提高，可以进行简单预测，在今后一段时间，核磁共振技术将会得到更快的发展，小型化核磁共振设备将会不断在现场检测仪器中发挥越来越重要的作用