原子核磁矩与核磁共振的历史发展与展望Word下载.docx

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四个指头指向电流

的方向，那么大拇指的所指方向就是磁矩的方向。

核磁共振的定义用一句话来说就是：

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塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

核磁共振的主要用途是高分辨率成像1，例如分子结构的测定、元素的定量分析、生命组织研究中的应用、药品鉴定等等，但是，在我看来，核磁共振在生活中的应用最主要的就是医学上对病变的生物组织进行高清晰，高分辨率成像了。

磁共振检查是将人体置于均匀磁场当中，通过物理办法让人体质子发生共振，通过线圈收集不同组织的信号，经过计算机处理，获得任意方向、角度解剖病变的图像。

通过前沿分子信号分析，能够更早、更准确地得出医学影像诊断，广泛应用于中枢神经系统、骨与关节系统、心脏及大血管实质脏器、软组织肌肉等，具有其它医疗设备难以比拟的优势。

本次论文主要要研究的内容是原子核磁矩与核磁共振的前身，现状以及今后对于发展的展望，希望更多的有识之士能够推动核磁共振这一技术的发展，为核磁共振能够更多更好地服务人们而奋斗。

一、核磁共振的历史

（一）核磁共振现象的发现

1930年代，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，費利克斯·

布洛赫和愛德華·

珀塞尔发现，將具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置於磁场中，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。

（二）核磁共振技术早期的科研应用

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。

（三）核磁共振技术的早期医学应用2

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，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·

劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像。

劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治疗和诊断。

2003年，保罗·

劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·

曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。

二、核磁共振的基本原理3

（一）实验原理

本实验以氢核和氟核为研究对象，下面以氢核为例，应用量子力学的理论，阐明核磁共振的基本原理。

概括地说，所谓“NMR”，就是自旋核磁矩（μI）不为零的原子核，在恒定外磁场的作用下发生塞曼分裂，这时如果在垂直于外磁场方向加上高频电磁场（射频场），当射频场的能量（hυ）刚好等于原子核两相邻能级的能量差时（ΔE），则射频场的能量被原子核吸收，从而产生核磁共振吸收现象，称之为“NMR”。

1、单个核的核自旋与核磁矩

原子核内所有核子的自旋角动量与轨道角动量的矢量和为

，其大小为

⑴

其中I为核自旋量子数，人们常称I为核自旋，可取I=0，1/2，1，3/2，……。

对氢核来说，I=1/2。

由于自旋不为0的原子核有磁矩μ，它和核自旋PI的关系为

⑵

式中mP为质子的质量，gN称为核的朗德因子，它决定于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。

大多数核的gN为正值，少数核的gN为负值，|gN|的值在0.1~6之间。

对氢核（即质子）来讲gN=5.585694772。

把氢核放入外磁场

中，可取坐标Z方向为

的方向。

于是，核磁矩μ在外磁场

方向的投影为

⑶

PIB为核的自旋角动量在B方向投影值，由下式决定

⑷

M为自旋磁量子数，M=I，I-1，……，-I。

I一定时，M共有2I+1个取值。

将公式⑷代入⑶得：

⑸

式中

，称作核磁子，其数值计算得：

μN=5.0575866×

10-27J/T。

通常把μBmax称作核的磁矩，并记作

　⑹

如以μN为单位μ=gNI，实验测出质子的磁矩μP=2.792847386μN。

核磁矩μ与核自旋角动量PI的比值叫作旋磁比（magnetogyricratio），又称磁旋比或回磁比，原子核的旋磁比用γN表示

由公式⑵有

⑺

可见，不同的核其γN是不同的，其大小和符号决定于gN，也即决定于核的内部结构与特性。

2、核磁矩与恒定外磁场的相互作用能

由电磁学知道，磁矩为μ的核在恒定外磁场B中具有势能：

⑻

任何两个能级之间的能量差为

因氢核的自旋量子数I=1/2，所以磁量子数M只能取两个值，即1/2与-1/2。

核磁矩在外磁场B方向上的投影也只能取两个值

（当M=-1/2时）

（当M=1/2时）

如图1所示。

根据量子力学的选择定择，只有ΔM=±

1的两个能级之间才能发生跃迁，两个跃迁能级之间的能量差为

⑼

这能量差又称能级的裂距，同一核能级的各相邻子能级（又称塞曼子能级）间的裂距是相等的。

从公式⑼和核能级分裂图可知，相邻子能级间的能量差ΔE与外磁场

的大小成正比。

3、核磁共振的条件

对于处于恒定外磁场B0的氢核，如果在垂直于恒定外磁场B0的方向上再加一交变电磁场B1，就有可能引起氢核在子能级间的跃迁。

跃迁的选择定则是磁量子数M改变ΔM=±

1。

这样，当交变电磁场B1（也称射频磁场）的频率υ所相应的能量hυ刚好等于氢核两相邻子能级的能量差ΔE时，即

⑽

则氢核就会吸收交变电磁场的能量，由

的低能级E1跃迁至

高能级E2，这就是核磁共振吸收条件。

由公式⑽可得发生核磁共振的条件

满足上式的υ0称作共振频率。

如用圆频率

表示，则共振条件可表示为

⑾

对于氢核，其旋磁比γN是已知的。

由上式可知，核磁共振条件取决于两个因素：

γN（或者说gN）和外磁场B。

，不同的原子核，其γN（或gN）值不同，当然（即使B一定）其共振频率υ0也不同。

这就是用核磁共振方法了解甚至测量原子核某些特性的原因。

此外，对同种核，若B越大，其子能级间的裂距就加大，当然相应的共振频率υ0也会加大。

4、核磁共振信号强度的分析

上面讲的是单个氢核在外磁场中核磁共振的基本原理。

但实验中所用的样品（水）是大量同类（¹

H）核的集合，要维持核磁共振吸收的进行，就必须使处于低子能级上的原子核（¹

H）数多于高子能级的原子核（¹

H）数。

实际上，在热平衡的状态下，核在两个能级上的分布服从玻耳兹曼分布规律：

⑿

式中N1为低子能级上的核数目，N2为相邻高子能级上的核数目，ΔE为两个子能级间的能量差，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。

当gNμNB<

<

kT时，公式⑿可近似地写成

⒀

此式表明：

低能级上的核数目比高能级的核数目要略微多些，所以才能观察到核磁共振信号。

为了对此情况有一个数量概念，具体计算如下：

设室温t=27℃，则T=273+27=300K。

外磁场B0=1特斯拉。

样品为氢核（质子），其旋磁比γN=2.67522128MHz/T，k=1.38066×

10-23J/K。

将以上数值代入⒀式得

或变成

⒁

此式说明：

在室温下，每百万个1H核总数中，两个子能级上的¹

H核数目之差N1-N2≈7个，所观察的核磁共振信号完全是由这个核数目差值形成的。

可见，核磁共振信号是何等的微弱。

要想增强核磁共振信号，从式⒀可知，必须尽可能减小N2/N1比值，即要求外磁场B尽可能地大。

（早年核磁共振使用的B为1.4T，近年由于超导磁场的使用，B可达14T）。

值得指出的是，要想观察到明显的核磁共振信号，仅仅磁场强些还不行，磁场还必须在样品（¹

H）范围内高度均匀，否则磁场不论多么强也观察不到核磁共振信号。

原因之一是核磁共振条件由公式⑾决定，如果磁场不均匀，则样品内各部分的共振频率（ω0）不同，对某个频率的交变磁场，将只有极少数核参与共振，结果信号被噪声所淹没，难以观察到核磁共振信号。

（二）、仪器构成

本实验使用北京大华无线电仪器厂生产的“核磁共振实验仪”。

该仪器由核磁共振探头、电磁铁及磁场调制系统、磁共振仪及高频计数器和示波器组成。

实验系统接线如图2所示。

本实验装置的原理方框图，如图3所示。

电磁铁的激磁电流1.5A－2.1A，使磁场B达到几千高斯，数字电压表和电流表使得磁场强度B的调节有个直观的显示，恒流源保证了磁场强度的高度稳定。

1、图3中边缘振荡器，用它来提供射频磁场B1，振荡器的频率ν可以连续调节。

其谐振频率由样品线圈的并联电容决定。

所谓边缘振荡器是指振荡器被调谐在临界工作状态，这样不仅可以防止核磁共振信号的饱和，而且当样品有微小的能量吸收时，可以引起振荡器的振幅有较大的相对变化，从而提高了检测核磁共振信号的灵敏度。

2、图3中的射频放大器，由边缘振荡器输出的射频信号经放大后，一路输入检波器检波，另一路用以驱动频率计数器，显示输出频率ν（在十几兆赫范围）。

3、检波器：

放大后的射频信号由检波器变换成直流信号。

当射频信号的幅度发生变化时，这一直流信号也会发生变化（即幅度检波），它反映了核磁共振吸收信号的变化规律。

4、低频放大器：

检波后的直流信号很弱（约数百微伏），低频放大器将这一信号放大至足够值后送入示波器的Y轴端。

5、调制振荡器：

为了能在示波器上连续观测到核磁共振吸收信号，需要在样品所在的空间使用调制线圈来产生一个弱的低频交变磁场Bm，叠加到稳恒磁场B上去，使得样品¹

H核在交流调制信号的一个周期内，只要调制场的幅度及频率适当就可以在示波器上得到稳定的核磁共振吸收信号。

6、移相器（调相）：

它能将输至X轴的信号相位改变0~180°

，从而实现二者的同步扫描。

当磁场扫描到共振点时，可在示波器上观察到两个形状对称的蝶形共振信号波形，它对应于调制磁场Bm一周内发生两次核磁共振，再通过调相把波形调节到示波器荧光屏中心并使两峰重合，这时¹

H核共振频率和磁场满足共振条件：

三、核磁共振的现状

（一）核磁共振与CT的强强联手4

大家也许在纳闷，核磁共振与CT又有什么联系呢？

正如一开始所说的，核磁共振是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的技术。

而但凡有一点医学常识的人都知道，CT的中文全称是计算机断层扫描，也就是是用X线对人体扫描，取得信息，经电子计算机处理而获得的重建图像。

这两种技术是区别的，没有什么联系的啊，但是，如今医学高分辨率成像的热点也就是这两种技术的有机结合，叫做核磁共振计算机断层扫描技术，英文全称是NuclearMagneticResonanceComputedTomography,英文缩写NMR-CT。

（二）核磁共振找水源技术

核磁共振技术是目前世界上唯一的直接找水的地球物理新方法。

它应用核磁感应系统（MRS），通过由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，探测由浅到深的含水层的赋存状态。

相对于传统的地球物理方法而言，它无需打钻，是一种无损监测。

核磁共振找水MRS方法原理：

通过测量地层水中的氢核来直接找水。

核磁共振是原子核的一种物理现象，指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。

氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。

近年来,用核磁共振方法形成的一种直接非侵害性的探测地下水的地球物理新技术,与传统的地球物理探测地下水的方法相比具有高分辨力、高效率、信息量丰富和解的唯一性等优点,是一种很有发展前景的找水方法技术.我国的水资源短缺,对地下水资源的勘探、开发与利用十分重视,已将核磁共振找水技术研究列入国家十一五科技支撑计划。

（三）核磁共振录井技术5

核磁共振录井技术是一项新兴的录井技术。

国内从开始推广应用到现在也就是10年的时间,但却取得了长足的进步。

1996年我国开始引进美国的核磁共振P-K仪，北京廊坊分院核磁室研制出的NMR-2M型核磁共振岩屑岩心分析仪，北京大学研究出的NMR-4型核磁共振分析仪，对该项技术做了最新改进，使该项技术在录井应用中得到很大的提高。

首先是核磁仪器进行了巨大的改进,仪器的稳定性增加了,测量的精度提高了;

另外随着对核磁录井技术的不断深入研究,它的应用范围也越来越广。

从原来单一对碎屑岩储层快速评价、指导现场钻进,为钻井完井决策提供依据及提供试油井段等方面应用,到现在能够进行非碎屑岩及稠油储层评价,落实油水变化情况,并在区块评价等方面均有应用。

可以说核磁录井应用范围越来越大,并且已经在油气田勘探开发的研究与生产中发挥着重要作用。

四、核磁共振需要改进的技术以及未来发展

（一）核磁共振CT成像需要改进的技术

1、NRM-CT中需要改进的技术

（1）传统的NMR波谱仪是以均匀一致的液体或者固体粉末作为试样的，它所需要的主磁场均匀空间很小，用于人体全身成像是很难做到的。

（2）NRM-CT磁场对人体的影响，以下几个问题均是需要思考的：

射频波对人体组织的加热问题、时变场感应电流对人体组织的刺激、体内有金属物（例如金属心脏起搏器）等因射频波的加热作用。

（二）核磁共振的未来发展6

核磁共振技术在今日已经成熟，但是在很多方面的应用还存在自身的缺点，寻找更好的材料，以及在某一方面技术上的突破将是核磁共振NRM未来发展的走势。

还有，核磁共振技术和相关分支技术的结合，也会是一大热点，例如快速扫描技术的研究与应用，将使经典MRI成像方法扫描病人的时间由几分钟、十几分钟缩短至几毫秒，利用流空效应使MRI图像上把血管的形态鲜明地呈现出来，使测量血管中血液的流向和流速成为可能。

致谢

感谢郝伟老师对本人进行论文格式的指导。

主要参考文献

[1]谢敬霞.核磁共振新技术研究与临床应用[M].北京：

北京医科大学出版社,2001.

[2]胡军武.医学数字成像技术[M].武汉：

湖北科学技术出版社，2001.

[3]陈泽民《近代物理与高新技术物理基础——大学物理续编》清华大学出版社2001.4

[4]金日光.《科学中国人》863科技项目子课题

[5]苑洪瑞,李绍芹,贾翠竹等.核磁共振录井样品选取方法探讨[J].录井工程,2006,17（3）:

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[6]熊国欣.核磁共振成像原理[M].北京:

科学出版社,2007.