核磁共振

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。

核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。

并不是是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。^[1]

1930年代，物理学家伊西多?拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。

1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫发现，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，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及核自旋等，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，核磁共振谱技术不断发展，从最初的一维氢谱发展到碳谱、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，人们甚至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。后来核磁共振广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。

20世纪70年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现了，它使13C谱的应用也日益增多。用核磁共振法进行材料成分和结构分析有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点。 

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的运动。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：

质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数；质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。

由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一 定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核 的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量 输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。

核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生蔡曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核蔡曼能级上的跃迁。

自旋量子数不为零的核与外磁场 H₀相互作用，使核能级发生2n 1重分裂，此为蔡曼分裂。核自旋在蔡曼能级之间跃迁的选择定则为，m为核磁量子数。可发生核自旋跃迁的两能级的能量之差

其中ν为旋磁比，＝h/2π，h为普朗克常数。

如果在上述静磁场H₀存在的同时再加上一个方向与之垂直，强度远小于H₀的射频交变磁场H ₁，并且其频率满足如下条件：

则原子核会吸收射频场能量，在两蔡曼能级之间发生跃迁，此现象为核磁共振现象。共振圆频率：

核磁共振频率因核而异，对于同一种核，共振频率与静磁场H₀成正比。

1. 化学位移 　

同一种核在分子中因所处的化学环境不同，使共振频率发生位移的现象。化学位移产生的原因是分子中运动的电子在外磁场下对核产生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子σ来表示。一般来说屏蔽因子σ 是一个二阶张量，只有在液体中由于分子的快速翻滚，化学位移的各向异性被平均，屏蔽因子才表现为一常量。

核磁共振的共振频率：

实际测定中化学位移是以某一参考物的谱线为标准，其他谱线都与它比较，即以一无因次的量δ表示化学位移的大小。常用参考物是四甲基硅(TMS)。

H参考，H样品分别是使参考物和被测样品共振的磁场强度，Ho是仪器工作的磁场强度。
v参考，v样品分别是参考物和被测样品的共振频率Vo是仪器的工作频率，化学位移的单位是(ppm百万分之一)。

化学位移的大小受邻近基团的电负性、磁各向异性、芳环环流、溶剂、pH值、氢键等许多因素的影响。其中有3种效应常被用于生物学研究。

①环流效应：生物分子中常有含大π共轭电子云的芳环或芳杂环，如Phe、His、Tyr、Trp、嘌呤、嘧啶以及卟啉环。原子核相对于这些环的距离，方位不同，受大π电子云产生的附加磁场的影响不同，对各核化学位移的影响亦不同。环流效应常用于生物分子的溶液构象研究。

②顺磁效应：Fe(高自旋态)、CO、Mn等顺磁离子及有机自由基（自旋标记化合物）中的不成对电子对周围核的化学位移及弛豫过程会有很大的影响，利用这个效应可研究顺磁离子周围基团的状况。

③pH滴定效应：在不同pH条件下，各解离基团的解离状况不一，造成附近基团有不同的化学环境，从而使得化学位移随pH变化。

2. 耦合常数 　

核与核之间以价电子为媒介相互耦合引起谱线分裂的现象称为自旋裂分。由于自旋裂分形成的多重峰中相邻两峰之间的距离被称为自旋——自旋耦合常数，用J表示。耦合常数用来表征两核之间耦合作用的大小，具有频率的因次，单位是赫兹。

一般来说由于自旋耦合使高分辨核磁共振波谱变得十分复杂，但是当化学位移之差Δγ远大于耦合常数时，一个含有n个自旋量子数为1I2的核的基团将会使其邻近基团中核的吸收峰分裂为2n 1重峰，并且这 2n 1重峰的强度分布服从二项式系数分配公式(1 x)。此为一级分裂波谱。

图1中各峰由于自旋耦合而产生谱线裂分。耦合常数的大小与外加磁场的大小无关，与分子结构有关即与两核之间键的数目及电子云的分布有关。一般来说，两核之间相隔 3个以上的化学键之间的耦合被称为远程耦合，J值很小。如果两核之间相隔四个或四个以上的单键，J值基本上等于零。

耦合常数可提供分子中二面角的信息。多肽和蛋白质中NH-H耦合常数和围绕 -N 键的二面角之间有如下的Karplus关系式：

核苷酸的某些构象信息，亦可按一定公式由耦合常数测知。

3. 谱峰强度

信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息，处于相同化学环境的原子核在核磁共振谱中会显示为同一个信号峰，通过解析信号峰的强度可以获知这些原子核的数量，从而为分子结构的解析提供重要信息。表征信号峰强度的是信号峰的曲线下面积积分，即吸收峰积分曲线的高度与产生该吸收峰基团的粒子数成正比。图1中苯环间位质子峰，苯环邻位质子峰，α-CH质子峰，β-CH质子峰的积分强度之比为2∶2∶1∶2。

这一信息对于1H-NMR谱尤为重要，而对于13C-NMR谱而言，由于峰强度和原子核数量的对应关系并不显著，因而峰强度并不非常重要。

4. 弛豫参数

从微观机制上说，弛豫是由局部涨落磁场所引起的。偶极-偶极相互作用、分子转动、化学位移各向异性、邻近存在电四极核等等，都可以产生局部磁场。而固体中的晶格震动，液体中的Brown 运动等，使得局部磁场将随时间涨落。弛豫过程的特性取决于分子运动的性质。由于分子运动是无规则的，局部涨落磁场也是一个随机过程。此外，弛豫速率（即弛豫时间的倒数），具有可加和性。当存在多种弛豫机制时，总的弛豫速率是各种机制弛豫速率的总和。

①自旋-晶格弛豫时间（纵向弛豫时间）T₁，核系统与周围晶格相互作用，交换能量，使核系统恢复平衡，这一过程被称为自旋－晶格弛豫过程，自旋－晶格弛豫过程的快慢可用自旋－晶格弛豫时间T₁来表征。T₁的单位是秒。

②自旋－自旋弛豫时间(横向弛豫时间)T₂，等同核之间的磁相作用被称为自旋－自旋相互作用。等同核之间相互交换自旋态并不改变系统的总能量，却缩短了系统在激发态的能级寿命。自旋－自旋弛豫时间T₂是核处于激发态的能级寿命，以秒为单位，它与谱线宽度有关。

Δγ为谱峰半高宽(Hz)。

③核奥弗豪泽效应。当一个强的射频场加到一组核上，使其中一个或多个跃迁被饱和，这时在空间相邻近的另一组核的共振信号的积分强度会因此而改变，这一现象被称为核奥弗豪泽效应，最早由A.W.奥弗豪泽发现。

核奥弗豪泽效应的大小可用NOE来表示：

I₀是未照射时信号强度，I_z是邻近基团被照射时的信号强度，η被称为核奥弗豪泽效应增强因子。

T₁、T₂、NOE都与分子运动的相关时间τ₀有关，从中可以得到生物大分子内部动力学的信息，NOE还与两核之间距离的6次方成反比。

核磁共振仪器包括以下几类:

核磁共振磁场计、核磁共振测场仪、核磁共振分析仪、核磁共振表面探测仪、核磁共振探水仪、核磁共振测井仪、核磁共振波谱仪、核磁共振成像仪，其中核磁共振波谱仪还分为液体核磁共振谱仪和固体核磁共振谱仪。

核磁共振谱仪分为两大类，即连续谱核磁共振谱仪及脉冲傅立叶变换核磁共振谱仪。

前者将单一频率的射频场连续加在核系统上，得到的是频率域上的吸收信号和色散信号。后者将短而强的等距脉冲所调制的射频信号加到核系统上，使不同共振频率的许多核同时得到激发，得到的是时间域上的自由感应衰减信号(FID)的相干图，再经过计算机进行快速傅立叶变换后才得到频率域上的信号。

NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。对于有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。

核磁共振的特点：①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组态在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高。

早期的核磁共振谱主要集中于氢谱，这是由于能够产生核磁共振信号的1H原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。随着傅立叶变换技术的发展，核磁共振仪可以在很短的时间内同时发出不同频率的射频场，这样就可以对样品重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号从背景噪音中区分出来，这使得人们可以收集13C核磁共振信号。

近年来，人们发展了二维核磁共振谱技术，这使得人们能够获得更多关于分子结构的信息，目前二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。

核磁共振波谱技术用来研究生物大分子有如下特点：

①不破坏生物高分子结构（包括空间结构）。
②在溶液中测定符合生物体的常态，也可测定固体样品，比较晶态和溶液态的构象异同。
③不仅可用来研究构象而且可用来研究构象变化即动力学过程。
④可以提供分子中个别基团的信息，对于比较小的多肽和蛋白质已可通过二维NMR获得全部三维结构信息。
⑤可用来研究活细胞和活组织。

在生物学研究中最常用的是H，C，P谱，此外还有N，F等。H谱发展最早，H在生物体中无所不在，核磁相对灵敏度高，故应用最广，包括用于核磁成像。缺点是含氢基团极多，谱线易重叠而不易解析。碳亦为生物体内重要元素，但C自旋为零，C天然丰度低，仅为1.1％，对等数量的核在相同磁场下其灵敏度只及H的1.6％。其优点是化学位移范围宽，在宽带去耦条件下进行实验，波谱简单，易分辨，随着测定技术及C标记方法的发展，C 谱已有极广泛的应用。P谱常用于活组织测定，观察ATP等含磷化合物的代谢过程，并已用于核磁成像。

NMR在生物学研究中范围很广。主要有：

分析研究 ：如确定生物分子成分及浓度，特别是可不破坏组织细胞而测知其中组分；确定异构体比例；确定分子解离状态；确定金属离子或配基是否处于结合状态；以及测定细胞膜内外的pH差异。

热力学研究：如测定酶与底物、配基、抑制剂的结合常数；测定可解离基团的pK值，特别是能测定生物大分子中分处不同微环境的同类残基的同类基团的不同pK值，这是其他方法所不及的；还可测定相变温度，ΔG等其他热力学参数。

动力学研究：监测反应进程，测定各组分随时间的变化；通过变温实验和线形分析，测平衡过程的动力学常数，包括某些生化反应的反应速率，研究分子间（如酶与抑制剂，DNA与药物）相互作用的动力学过程。

分子运动研究：弛豫参数（T₁，T₂，NOE）可用来研究生物高分子的动力学，以及生物膜的流动性。

分子构象及构象变化研究：目前用二维核磁共振技术加上计算机模拟已能独立确定小的蛋白质分子及核苷酸片段在溶液中的三维空间结构。改变物理化学因素或加入可与生物分子相互作用的其他物质，将会使核磁图谱发生变化，从而可用来研究这种构象变化。

活体研究：用P，C，H磁共振方法测定活细胞，活组织以致整体的代谢物浓度及变化，测定细胞内pH值，观察药物或不同生理状况对代谢的影响。研究对象有微生物、植物、各种动物以至人体器官等。

自70年代末，特别是80年代以来二维核磁共振(2D-NMR)及核磁成像技术(NMR image)迅速发展，已在生物学、医学研究中发挥越来越大的作用。

二维核磁共振的思想是1971年提出的，1976年R.R.恩斯特用密度矩阵方法对二维核磁共振实验进行了详细的理论阐述，自此二维核磁共振技术得到了非常迅猛的发展。1977年K.维特里希首先将此方法用于生物高分子，研究氨基酸和牛胰胰蛋白酶抑制剂，在此基础上发展了用二维核磁共振对蛋白质H-NMR的单个谱峰全部识别的方法。

二维核磁共振谱S(ω₁，ω₂)被定义为二个独立的频率变量ω₁和ω₂的函数，它是由对时间域上的函数S(t₁，t₂）进行二维傅立叶变换得到的。

其基本原理如下：所有二维核磁共振波谱在时间域上都可分为四个时期，即准备期、发展期、混和期（可以没有）及检测期，其中发展期的时间间隔为t₁，检测期的时间间隔为t₂。

准备期一般比较长，自旋系统在这一时期达到热平衡。发展期加上一个或多个射频脉冲使核系统演化。混和期包括脉冲和延迟时间。在检测期，信号作为t₂的函数被检测，并以发展期的时间间隔t₁为参数。只改变发展期的时间间隔t₁，重复多次实验，即可得到时间域的二维信号S（t₁，t₂）,对此作二维傅立叶变换即得频率域的二维核磁共振谱S（ω₁，ω₂）。二维核磁共振谱可分为3类：

1. 化学位移相关谱 　

这类实验可以将相互耦合的核或者具有化学交换的核，或是有交互弛豫的核的化学位移相关联。

2. J－谱 　

在J（耦合分解）谱中，决定共振峰位置的两个参数，即标量耦合和化学位移得到分开。

3. 多量子谱 　

这类实验可用来检测多量子跃迁。K.维特里希将2D-NMR用于蛋白质结构研究，使得人们有可能对小的或中等大小的蛋白质，无需晶体结构资料，只根据一级结构序列和一套 NMR数据就可以推断该蛋白质在溶液中的构象。

对肽链中各基团的质子而言，存在两种相互关系，一种是通过化学键的J耦合关系，一种是通过空间的NOE关系(图2 )。蛋白质中上述两种相互关系可以通过二类2D-NMR实验找出：

①二维相关谱(COSY)　如图3所示，对角线上的峰是一维谱峰，对角线以外的峰为交叉峰，交叉峰相对于对角线为轴对称，从一个交叉峰出发分别作垂直线与水平线与对角线相交，相交处的两峰所对应的核之间有J耦合。因此交叉峰将标量耦合的质子相关联。 ②二维核奥弗豪泽增强谱(NOESY)　如图4所示，其交叉峰将空间上比较接近，相互之间有NOE的峰相关联，这包括同一氨基酸残基中由共价键相连的质子如 C_αH,C_βH，C_γH,在氨基酸序列中相邻残基之间主链上的质子，如CH和NH,以及在一级结构序列中分开较远而在三维空间结构上接近的质子。实际工作中将半张COSY谱，半张NOESY谱按对角线并接成图即可沿肽链按残基序列逐一识别出共振峰。此外NOESY谱还可提供H和H之间空间距离的信息，从而得到有关蛋白质二级结构的信息。

2D－NMR目前已不仅被用来研究蛋白质，而且用来研究核酸以及蛋白质和核酸的相互作用。

核磁共振成像（NMR image，MRI）技术是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。

最早的核磁共振成像实验是由1973年劳特伯发表的，并立刻引起了广泛重视，短短10年间就进入了临床应用阶段。作用在样品上有一稳定磁场和一个交变电磁场，去掉电磁场后，处在激发态的核可以跃迁到低能级，辐射出电磁波，同时可以在线圈中感应出电压信号，称为核磁共振信号。人体组织中由于存在大量水和碳氢化合物而含有大量的氢核，一般用氢核得到的信号比其他核大1000倍以上。正常组织与病变组织的电压信号不同，结合CT技术，即电子计算机断层扫描技术，可以得到人体组织的任意断面图像，尤其对软组织的病变诊断，更显示了它的优点，而且对病变部位非常敏感，图像也很清晰。若将核磁共振的频率变数增加到两个或多个，可以实现二维或多维核磁共振，从而获得比一维核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像应用仅限于氢核，但从实际应用的需要，还要求可以对其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等进行核磁共振成像。C13已经进入实用阶段，但仍需要进一步扩大和深入。核磁共振与其他物理效应如穆斯堡尔效应（γ射线的无反冲共振吸收效应）、电子自旋共振等的结合可以获得更多有价值的信息，无论在理论上还是在实际应用中都有重要意义。核磁共振拥有广泛的应用前景，伴随着脉冲傅里叶技术已经取得了一次突破，使C13谱进入应用阶段，有理由相信，其它核的谱图进入应用阶段应为期不远。 

与用于鉴定分子结构的核磁共振谱技术不同，核磁共振成像技术改编的是外加磁场的强度，而非射频场的频率。核磁共振成像仪在垂直于主磁场方向会提供两个相互垂直的梯度磁场，这样在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化，每一个位置都会有一个强度不同、方向不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得水分子在空间中分布的信息，从而获得人体内部结构的图像。

核磁共振成像技术还可以与X射线断层成像技术（CT）结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据。核磁共振成像技术是一种非介入探测技术，相对于X-射线透视技术和放射造影技术，MRI对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，核磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用。

磁共振成像与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（computerized tomography, CT）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：

对人体没有游离辐射损伤；各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。能获得脑和脊髓的立体图像，不像CT（只能获取与人体长轴垂直的剖面图）那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；能诊断心脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任；对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT；原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。

核磁共振探测

（MRS）是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。

目前核磁共振探测技术已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中，但是相对于传统的钻探探测，核磁共振探测设备购买、运行和维护费用非常高昂，这严重地限制了MRS技术在地质科学中的应用。