核磁共振hécí gòngzhèn

❶　〈名〉 原子核在外加恒定磁场作用下产生能级分裂，对特定频率的电磁波发生共振吸收的现象。
❷　〈名〉 核磁共振成像的通称。

核磁共振nuclear magnetic resonance,NMR

原子序数和质量数不全为偶数的原子核具有磁矩，在外磁场作用下产生能级分裂，吸收射频电磁场的能量而发生磁能级间的共振跃迁现象。样品中共振核的数目越多，核磁共振吸收信号越强。磁场越强，核的能级分裂越大，共振频率也就越高。核外电子的运动对外磁场有屏蔽作用，因而共振频率还随共振核所处的化学环境不同而稍有差异，按共振频率的差异可用以探测物质的微观结构和各种相互作用。在分子生物学研究中，NMR主要用¹H、¹³C、³¹P、¹⁹F核磁波谱。在生物大分子结构功能研究中，可对含水样品进行非破坏性测量，使观察能在接近生理条件下实现，追踪观察对象的新陈代谢过程动力学变化。

核磁共振

具有自旋运动的原子核置于外磁场中时将处于不同的能级，如外加射频范围的电磁波，其能量等于相邻两能级之差，原子核将吸收此能量而在相邻两能级间发生跃迁。这一现象称作核磁共振(NMR)。
NMR现象是1945年美国的Bloch与Pucell分别发现的，由于这一重大发现，两人共同获得了1952年度的诺贝尔奖。
NMR原理 原子核的自旋运动使其有自旋角动量，其数值用一个自旋量子数I和常数h/2π的乘积表示，h为Planck常数。原子核带正电，所以核自旋又使其具有磁矩μ。对一个特定的核，μ和I都是常数，其磁矩和自旋角动量之比称为旋磁比r。
　
当把具有磁矩μ的核置于强的均匀磁场H0中时，由于磁矩和H₀的相互作用，磁矩相对于H₀的取向是量子化的，即只能取分立的值。这种取向的不同可用一个磁量子数m表示，m只能取下列值：
m=I,(I-1),(I-2)，……-(I-2),-(I-1),-I
每一种取向和一种核能级相应。
在生物学中最常用的是I=1/2的核，如1H、13C、19F和51P。这类核在外磁场H0中时，m只能有+1/2和-1/2两个值，也就是只能顺着H₀或逆着H₀排列，所以将具有两种不同的能量，这称为能级分裂。磁矩在磁场作用下所具有的能量为：

E=-μH₀

对于顺磁场和逆磁场排列的两种磁矩，其能量分别为

如果在与H0垂直的方向再加上一个射频场H1，它所提供的能量hv正好等于两个能级之差，则此能量将被自旋核所吸收（共振吸收）。所以产生共振吸收的条件是：

由于2πν是角频率ω，所以共振条件又可写成：

ω=rH₀

这就是NMR的基本方程。满足此条件时，处于低能级的自旋核将吸收能量跃迁到高能级。对于同一种核，欲满足共振条件可采取两种方法：固定射频场频率，改变外加恒定磁场；或者固定外加磁场，改变射频场频率。由于改变射频场频率比较困难，所以一般都采用前一种方法。当恒定磁场由小到大改变时，吸收程度也随之改变，磁场满足共振条件时(H0)，吸收最大。吸收程度与恒定磁场H的关系称为NMR谱。
NMR谱的参量 有以下几个：
(1) 化学位移：在一种化合物中，处于不同基因中的某原子核 (例如乙醇中的CH₃·CH₂与OH中的H核)可以有几条谱线。这是因为作用在不同基团中的H核的磁场并不严格地正好等于外加恒定磁场，它还受到分子内电子的反磁性屏蔽之故。这种反磁屏蔽的大小依赖于每个核所处的化学环境。即

H=H₀(1-σ)

式中H是作用在核上的有效磁场，σ是一个无量纲常数，是特定环境下核的屏蔽常数。由于核的化学环境不同所引起的共振位置的偏离称为NMR谱线的化学位移。为便于对不同场强、频率(即不同类型的NMR仪)所获得的数据进行比较，化学位移采用相对值表示，即以ppm为单位，其定义为：

此处，△H和△v分别表示被测物与参考标准物质共振吸收峰位之间的磁场强度之差或频率之差。参考标准物的反磁屏蔽是稳定的，它的化学位移不依赖于温度与浓度，对质子来说常用的标准物质是TMS（四甲基硅烷），它的谱线出现在场强最高区，设它的共振点为零，处在低场区的化学位移为正值。
由化学位移可以推知核所处的化学环境，所以NMR就成为结构化学分析的一项新技术，由此产生了NMR波谱学。
(2) 偶合常数： 一自旋核与相邻的另一个自旋核的相互作用使每个共振峰产裂主分， 裂分线之间的差值称为偶合常数，用J表示，单位一般用Hz。
偶合常数依赖于原子轨道排列和重叠的程度，因此它有助于确立核或基团的空间的位置。
(3) 多重度： 自旋核与相邻自旋核之间的相互作用使每一个谱带都产生裂分，谱带裂分后的线数称为多重度。由多重度可判知产生这一谱带的核附近存在何种基团。
(4) 弛豫时间： 受到射频场的辐射而处于激发态的自旋核，可通过非辐射性跃迁自发地回到低能态。这种过程称为弛豫过程。弛豫过程有两类：自旋-晶格弛豫以及自旋-自旋弛豫。弛豫的速率可用弛豫时间表示，自旋-晶格弛豫时间T₁是描述吸收射频能量之后，处于非平衡分布的自旋核将能量转移给周围环境，而以指数的速率趋于平衡的特征时间。自旋-自旋弛豫时间T2描述相同的自旋核之间的相互作用所引起的能量交换。这一过程不会影响系统的总能量，但影响自旋核在激发态的寿命，因而影响了共振线宽。在通常的液体中，T1和T2往往是相等的，约为1s左右。然而，在固体中，特别是在低温下，T₁可长达数小时，T₂特别短。因此弛豫时间的测量可了解自旋核所处环境的状态。
(5) 谱带强度： 谱带强度是指共振信号的轨迹和基线之间所包围的面积，它和参与共振的核数成正比。谱带强度可用于确定分子结构和粗略地进行定量分析。
(6) 带宽和谱形：对一光滑而对称的谱带，带宽的定义是此带的半高度处

图1 NMR谱参数示例

的宽度。弛豫时间、场的均匀性、化学位移和多重度等都可影响带宽。当带不光滑和不对称时，谱形有明显变化，这时要考虑未分解时的化学位移和多重度。
NMR仪原理与实验技术 NMR仪一般由三大部分组成：均匀度达10^-9/cm³的磁场部分 （电磁铁或超导磁铁），使自旋能级产生分裂，稳定的强射频发生器，使自旋核产生吸收； 一套检测系统，对共振信号进行接收与记录。
核磁共振仪按所得谱线的宽窄可分为宽谱和高分辨谱两大类。宽谱主要用来测量固体样品； 高分辨谱主要用来测液体样品。
从发射和接收方式上，又有连续波法和脉冲傅里叶变换法之分。前者是用射频连续不断地照射样品，改变磁场或频率，观察自旋核的吸收变化；后者是用等距离脉冲同时激发整个波谱，观察核对脉冲的自由感应衰减(FID)信号，再用数字计算机进行叠加和傅里叶变换，使之成为通常的波谱。后者能比前者提高灵敏度一个数量

图2高分辨脉冲NMR仪

级以上。
如果一个以上不同频率的射频场同时照射样品，则得到的是双共振（或多重共振）谱。例如可同时观察电子自旋共振和NMR的谱，称为ENDOR谱。
NMR在医学中的应用 五十年代，NMR波谱学开始用于有机化学分析。1957年，首次被用来测量核糖核酸酶，从此引入了生物学领域。六十年代后期，傅里叶变换技术的采用，促进了在生物学中广泛使用。随着仪器技术的发展，从七十年代中期以来，这一技术向研究细胞、肌肉、骨骼、完整器官以及整个活体发展，为医学及其在临床上应用开辟了广阔的应用前景。
以下按NMR参数所能提供信息的特点，概述在医学中的应用。
(1) 药物和生化分析： NMR最通常的用处是确定物质的化学成分，推断化学结构，探明溶液构象。物质的化学组分可用与已知谱的比较来确定，这是最简单的方法，当难于辨认时，就要用1H、13C、15N、17O、31P等多核观测，以及2H、19F等自旋标记多重共振，添加镧系元素等位移试剂，化学修饰等办法。在定性、定量分析、确定立体结构和构象上，NMR是一个与X线衍射、红外、质谱等相互补充的、能提供大量信息的工具。
(2) 活组织的研究： 在研究活组织时，NMR的独到之处是能非破坏性地检测完整组织所包含的所有成分。如用31P NMR法不仅能检测到肌肉中的糖磷、无机磷、NAD和ATP磷，而且意外地发现了一组磷酸代谢物。其中之一为甘油-3-磷酰胆碱的含量甚高。在生理条件下观测肌肉收缩过程中，从31P含量随时间变化的关系就可以了解组织中能量的储藏与代谢的过程。此外，由无机磷分裂为多重峰可测知代谢物的区域化。由无机磷的化学位移对pH的关系曲线能够测知组织内各个区域、如细胞内外各部分的pH值。
(3) 完整器官的研究：在对心脏的研究中，无机磷吸收峰的高度和位置，反映着能量的消耗以及细胞的pH。正常情况下，生理pH为7.4，在心肌梗塞时，无机磷会裂分出一个6.6ppm的新峰。在心脏缺氧时，无机磷的正常中性峰消失，酸性区的峰增至最大，其最后pH为6.4。在肾脏移植术前，测定供肾和受者的pH，可断定是否合用，术后可连续监测pH变化和合成ATP的能力以确定手术的状况。同样用测量pH和ATP磷酸肌酸浓度的变化可判断脑血管等外伤后的生理状态。对试管婴儿，在大孔径磁场中，用3¹P NMR可以跟踪人的胚胎发育的全过程。
(4) 肿瘤诊断中的应用： 与正常组织相比，肿瘤组织中1H和31P的弛豫时间T1一般都有明显下降，因此弛豫时间的测定有可能成为肿瘤诊断的一种辅助手段。
上述NMR谱的测定除可用于医学研究外，近年来NMR原理还用于组织的成像，这种技术称为NMR成像术。如果在恒定磁场上再叠加一个强度逐渐变化的梯度磁场，就会产生一个沿梯度轴垂直线的样品结构的一维投影。将样品旋转，就会产生二维投影。经计算机叠加处理后还能形成一个三维图像。这是所谓NMR成像的方法之一。各种方法的目的都是要给出分子浓度或状态的三维分布。现在已有整个人体置于其中的成像磁体。此法比X射线法的辐射损伤要小得多。利用质子密度的差异，此法也可用于骨骼、软组织、血液流变学等方面的探测。

核磁共振

nuclear magnetic resonance; magnetic resonance inspection (MRI)

核磁共振nuclear magnetic resonance

简称NMR。原子核自发振荡与外界射频电磁波发生共振时，最大吸收外部能量，随即又发射能量的现象。利用核磁共振成像技术可进行脑功能研究以及对脑部疾病、肿瘤等的检查与诊断。

核磁共振

简称NMR。原子核自发振荡与外界射频电磁波发生共振时，能最大吸收外部能量，随即又发射能量的现象。利用核磁共振成像技术可进行脑功能研究以及对脑部疾病、肿瘤等的检查与诊断。