核磁共振波谱法的基本原理精选(九篇)

第1篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

【摘要】 目的：探讨急性兔脑缺血的磁共振波谱改变.方法：建立兔急性脑缺血模型并行MRS检查，在缺血中心区和周围区分别检测N-乙酰天冬氨酸（NAA）、胆碱Cho、肌酸Cr、乳酸Lac。结果：缺血区的1H-磁共振波谱显示NAA明显下降或消失，Cho、Cr亦见不同程度的下降，但下降幅度不如NAA，且缺血中心区下降幅度较缺血周围区下降幅度大；出现Lac峰，且缺血中心区Lac峰值最高，缺血周围区较低。结论：本实验通过研究兔急性脑缺血模型的MRS特点，为研究脑缺血性疾病的提供了可靠的动物模型和实验理论依据。

【关键词】 脑缺血；磁共振成像；波谱

[Abstract] Objective：To investigate the mechanism of Magnetic Resonance Spectroscopy and the value of Magnetic Resonance Spectroscopy in the acute cerebral ischemia. Methods：The Acute Cerebral Ischemia Model of 10 rabbits were performed on MRS. The level of NAA、Cho、Cr、Lac in the center and peripheral of the ischemic area were measured on MRS. Results：The Proton Magnetic Resonance Spectroscopy of the ischemic area showed: the level of NAA decreased obviously， the level of Cho、Cr were also decreased， and the down extent in the center of the ischemic area was bigger than that in the peripheral of the ischemic area. The peak of Lac was showed， and it was higher in the center of the ischemic area. Conclusion：Magnetic Resonance Spectroscopy can reflect injured degree of brain tissue， and biochemical event、 developing regularity of cerebral ischemia tissue. The characteristic of the Acute Cerebral Ischemia Model of the rabbits on Magnetic Resonance Spectroscopy can provide reliable animal model and theoric evidence for ischemic cerebrovascular diseases.

[Key words] Cerebral Ischemia， Magnetic resonance， Spectroscopy

磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）是一种非创伤性检测体内化学成分的方法，能够活体测量脑组织的代谢情况，能早期、敏感地放映缺氧缺血后脑损伤，提供细胞能量代谢、细胞膜崩解、神经元功能及神经递质活动等信息。本研究建立兔急性脑缺血模型，利用磁共振波谱成像（MRS），观察兔急性脑梗塞模型的1H-MRS特点，探讨磁共振波谱成像显示和评价急性脑梗塞的价值，从而为脑缺血性疾病的研究提供实验理论依据。

1 材料和方法

1.1 动物来源

选择由广州中医药大学实验动物中心提供的新西兰大白兔10只，雌雄各半，体重2.0～2.5kg，由中心实验室统一饲养。

1.2 实验兔急性脑缺血模型的制作

兔急性脑缺血组模型制作方法：3%戊巴比妥钠按1.0ml/kg耳缘静脉注射麻醉兔子，仰卧背位固定，剪去颈部体毛，75%消毒酒精被皮后，从距右下颌骨隅突离心端1cm处向近心端正中偏右剪开颈部皮肤约3-4cm，依次分离颈总动脉、颈内动脉、颌外动脉，结扎颌外动脉远心端，并留置线备用，以规格为0.7×32RW LB的穿刺针由颌外动脉切口行颈外动脉穿刺到颈内动脉，固定穿刺管，接着注射以2ml N.S混悬0.4-0.5mg微球栓塞剂，注射栓塞剂后，再注射2ml的N.S。最后拔出穿刺管，结扎颌外动脉，其他血管恢复血供。伤口以注射用青霉素钠（16万单位/ml）清洗后分层缝合，自然苏醒。

1.3 MR扫描前动物准备

实验兔经3％戊巴比妥钠按1.0ml/kg的剂量耳缘静脉注射麻醉平稳后，俯卧背位固定于专制的兔固定板上，准备进行MR扫描。

1.4 MR波谱扫描方法和参数

采用GE公司SIGNA1.5T Twin speed with EXCITE超导MR扫描仪，体线圈。

1H-MRS参数：采用Probe 2000单体素MRS软件包，扫描前自动匀场，CHESS水抑制，STEAM定域，PRESS序列，TR/TE=1500/135ms，层厚=3mm，无间距，FOV：160x160mm，矩阵128x128，采样体素容积7 mm3×7 mm3×7mm3，采集时间8min。

1.5 MR图像后处理及各项指标的测量

将所有扫描图像传输至工作站，采用GE公司的FunctoolⅡ软件，MRS由机器自动完成平均、基线矫正、相位循环、代谢物识别及定量测定，获得兔脑的波谱曲线图，在缺血中心区和缺血周围区进行测定。

1H-MRS检测的主要代谢物有：① N-乙酰天冬氨酸（NAA）；

② 胆碱Cho；

③ 肌酸Cr；④ 乳酸Lac。

1.6 病理学检查

MR扫描完毕后，立即使用过量的戊巴比妥钠将动物处死，断头取兔脑，用10%等渗福尔马林固定48小时，沿标本冠断面且与MR扫描图像的基线相对应，将标本冠状以2mm厚度切片，选择与MR扫描相对应的层面行TTC染色，制作病理切片，普通光学显微镜下观察。

2 结果

2.1 实验兔急性脑缺血模型的MRS表现

实验兔急性脑缺血模型缺血区的1H-磁共振波谱显示NAA明显下降或消失，Cho、Cr亦见不同程度的下降，但下降幅度不如NAA，且缺血中心区下降幅度较缺血周围区下降幅度大；出现Lac峰，且缺血中心区Lac峰值最高，缺血周围区较低（见图）。

2.2 病理学检查结果

光镜下实验兔急性脑缺血模型缺血中心区部分病例呈完全液化区，夹杂少量坏死细胞，部分呈大量坏死的神经细胞、胶质细胞及胶质纤维的坏死细胞碎片聚集，而缺血周围区内见神经细胞间隙增宽，疏松，水肿及坏死胶质细胞较多。

3 讨论

3.1 MRS的成像原理[1]

磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）是利用核磁共振现象和化学位移作用进行特定原子核及其化合物定量分析的方法。即利用体内含奇数质子的原子核自身的磁性及外加磁场的作用使其磁化及振动（即共振），产生磁共振信号，经傅立叶公式转换成频率（波谱）。与磁共振成像不同的是磁共振波谱主要检测的是组织内的一些化合物和代谢物的含量以及它们的浓度，这些化学信息代表组织或体液中相应代谢物的浓度，反映组织细胞的代谢状况。MRS的基本原理包括化学位移和自旋耦合两大部分。

目前用于磁共振波谱测定的原子核有氢、氮、碳、磷、氟、钠和钾等原子核，但应用于临床研究脑部的最主要为氢。氢磁共振波谱（1H-磁共振波谱）可观察组织代谢产物中的氢质子，其检测的内容主要有：① N-乙酰天冬氨酸（NAA）：含量最多，波谱位置在2.0ppm。主要在神经元和轴突内，由神经元的线粒体产生，是神经元密度与活力的标志。是评价脑病变最重要的波峰。当脑梗死时，可以表现有NAA波降低及NAA/Cr比值降低。

② 胆碱Cho：波谱位置在3.20ppm。包括磷酸胆碱、磷脂酰胆碱及磷酸甘油胆碱。胆碱是细胞膜磷脂代谢的成分之一，参与细胞膜的合成和降解。Cho波增高说明细胞膜更新加快、细胞密度大。

③ 肌酸Cr：波谱位置在3.03ppm。包括肌酸、磷酸肌酸。在正常代谢情况下，总肌酸浓度基本保持稳定，因此经常被作为计算比值的标准，如NAA/Cr、Cho/Cr等。④ 乳酸Lac：人脑正常组织检测不到Lac，Lac信号的出现代表糖酵解增大或者其他代谢产物累集。Lac的波峰位于1.3ppm，当TE由短变长时，Lac峰会发生翻转。当脑缺氧、缺血、癫痫、肿瘤等情况下会出现Lac峰。因此，可以根据这些代谢物含量的多少，分析组织代谢的变化。当它们浓度发生一定的变化时，根据这些生化改变以1H-磁共振波谱曲线中产生不同的峰值及比率，来确定组织细胞结构或代谢的异常。

3.2实验兔急性脑缺血模型的建立及MRS表现

目前，建立局灶性脑缺血模型的常用方法有两种[2]：开颅方法阻断供血动脉与导管法引入栓子栓塞供血动脉。本研究采用的经导管法引入不可撤除栓子栓塞供血动脉，即注射明胶微球至颈内动脉引起脑内栓塞的方法制备急性脑缺血模型。该方法操作简单，能较好的模拟人脑梗死的自然病理过程，不需开颅创伤小，且微球性质较稳定，不易自溶。但是此法栓子部位不定，引起双侧大脑半球多处小梗死灶，无法预测脑梗死部位及范围。

本研究中，所有模型兔均出现不同程度偏瘫体征。实验兔急性脑缺血模型缺血中心区的1H-磁共振波谱显示NAA明显下降，几乎完全消失；Cho、Cr亦见不同程度的下降，但下降幅度不如NAA；出现Lac峰。这与人脑急性脑缺血的1H-磁共振波谱表现基本一致。

病理学检查，光镜下实验兔急性脑缺血模型缺血中心区部分病例呈完全液化区，夹杂少量坏死细胞，部分呈大量坏死的神经细胞、胶质细胞及胶质纤维的坏死细胞碎片聚集。因此，从实验兔的临床体征、MRS表现、以及病理检查结果来观察，均证实本实验兔急性脑缺血模型造模成功。

3.3 实验兔急性脑缺血模型的MRS研究

脑梗死时，局部脑组织缺血、坏死、软化，血脑屏障破坏，代谢物浓度发生变化。1H-磁共振波谱能描述缺血和脑梗塞区不同的损伤程度，有助于对缺血半暗带、分水岭脑梗塞、TIA等诸多缺血性病变的认识及对预后的评价和疗效观察等[3]。

本组10例实验兔急性脑缺血模型，1H-磁共振波谱发现缺血中心区的N-乙酰天冬氨酸明显减少或消失，临床上最早出现在发病24h，提示缺血中心区形成并可作为细胞不可逆性损伤的标记物，NAA减少的程度反映了神经元尚失的多少[4]。Cho、Cr亦见不同程度的下降，但下降幅度不如NAA；缺血区边缘仍有一定的N-乙酰天冬氨酸、肌酸和胆碱，但其峰值降低。缺血区内外均出现乳酸波，缺血中心区Lac浓度最高，缺血周围较低。乳酸波于脑梗死后0.5～1h达到最高峰，它的出现是早期脑缺血极为敏感的指标。Lac升高的原因比较一致的观点是超急性期及急性期是因脑血管闭塞后脑组织缺血缺氧，无氧糖酵解增加所致[5]。

有报道[6]可以利用磁共振波谱成像，通过对超急性脑梗死的Lac和NAA的综合分析来识别可逆性损伤区（缺血性半暗带）与不可逆损伤区（梗死区）。本实验中，实验兔急性脑缺血模型缺血中心区和周围区NAA、Cho、Cr均见不同程度的下降，但缺血中心区下降幅度较缺血周围区下降幅度大；缺血中心区和周围区均见Lac峰，但缺血中心区Lac峰值最高，周围区较低。说明缺血中心区为不可逆损伤区，而周围区脑组织缺血低灌注尚未造成梗塞（神经元死亡），可以随时间延长梗塞灶扩大，是可逆的持续性低灌注的缺血组织。但至于NAA下降多少才能使缺血向梗死转变，目前尚无定论。病理学检查，光镜下实验兔急性脑缺血模型缺血中心区部分病例呈完全液化区，夹杂少量坏死细胞，部分呈大量坏死的神经细胞、胶质细胞及胶质纤维的坏死细胞碎片聚集，而缺血周围区内见神经细胞间隙增宽，疏松，水肿及坏死胶质细胞较多。由此也证实了缺血半暗带的存在。

总之，MRS作为唯一在活体状态下无创地检测组织代谢变化的方法，能反映脑缺血损伤程度，能敏感地监测活体脑缺血动态变化，定量地反映脑缺血组织的生化改变及其发生、发展规律，开辟了研究脑梗塞病理生理变化及演变规律的新途径，能对脑梗塞的早期诊断和治疗后疗效评价，及对指导临床治疗均起到十分重要的作用。本研究建立兔急性脑缺血模型，通过研究兔急性脑梗塞模型的磁共振波谱成像（MRS）特点，从而为脑缺血性疾病的研究提供可靠的动物模型和实验理论依据。

参考文献

1.彭洪娟，赵斌.1HMRS基本原理及成像技术.医学影像学杂志，2004，14(12):1033-1035.

2.胡顶高，吴宣富，马伯扬. 兔局灶性脑缺血模型研究.中风与神经疾病杂志，1998，15(4):251-253.

3.Sarah JN，Edward G，Andrea P，et al. In vivo molecular imaging for palnning radiation therapy of gliomas:an application of 1HMRSI. Joumal of Magnetic Resnance Imaging，2006(16):464.

4.Igarashi H，Kwee IL，Okubo S，et al. Predicting the pathological fate of focal cerebral ischemia using 1H-magnetic resonance spectroscopic imaging. International Congress Series，2003，1252:341-344.

第2篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

【关键词】核磁共振；电路；设计

1引言

核磁共振现象时美国的Stanford university 的F.Block教授和Harvard university的E.M.Purcell教授各自发现的，因为两人的优异成果，共同获得了1952年的Nobel奖。经过这么多年的发展，核磁共振已经成为了一门具有完整理论的新科学。到现在为止，已经有12位科学家因为在核磁共振方面的研究而获得诺贝尔奖。

近些年来，应用到工业领域的核磁共振分析仪器的发展十分迅速，这种仪器是一个系统工程，它涉及物理、电子、计算机、电磁学、化学等很多方面，就有相当高的技术含量。现在关于这些仪器的产片有很大一部分是由国外的公司所统治，因此这类产品的价格也非常高。这种仪器的核心技术在国内已经有了很大的发展，可以在很大程度上降低仪器的成本，在不远的将来，预计，对于这种仪器的需求，能够发展成一个具有很大规模的新产业。

2核磁共振原理

核磁共振的基础是原子核的磁性和对它的外加磁场的相互作用。大家都知道，原子核是由质子和中子组成的，质子带的是正电，中子并不带电，质子和中子统称作核子。现在的研究表明，所有含有奇数个核子、以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核，都具有内秉角动量，或者叫作“自旋”，这样的话，这个核都在不停的旋转，就像一个高速旋转的陀螺。

对于一个被磁化后的核自旋系统，如果在一个垂直于静磁场的方向上，再加上一个交变磁场，让他们的角频率相等。根据量子力学的原理，核自旋系统就会发生共振吸收的现象，也就是处于低能态的核磁矩就能够通过吸收交变磁场提供的能量，最后跃迁到高能态。这种现象就称为核磁共振现象。

对于交变电磁场既可以连续的施加，也可以通过短脉冲的形式进行施加。现在的核磁共振技术都是采用的脉冲方法。由于核磁共振系统的工作频率大多数都是在射频段，因此这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。

3 锁场收发电路的设计实现

锁场收发单元发射机的结构包括了射频发射源，开关盒功率调节电路两个部分组成的。现在要求的NMR谱仪技术中，对于射频源具有很多快速频率、相位和幅度的切换能力。在本次设计中采用Analog Device公司的AD9958集成度很高的频率合成器，从而能够配合FPGA和嵌入式计算机等系统来完成发射机的快速调制，得到能够满足核磁共振实验要求的射频信号。

AD9958芯片采用了先进的DDS技术，利用DDS技术开发出集成度很高的DDS器件，具有两个DDS内核，能够在同一个时间内提供两个内部同步、独立编程的输出通道，能够独立的进行频率、相位和幅度的控制。基于以下的，原因来选择AD9958，它能够提供两路独立的射频输出，一路用来提供给发射机的射频输出信号，另一路也是提供给接收机作为本振。同时由于AD9958在成本问题上，有很大的优势，它能够在较低成本上达到设计要求。

对于NMR中，如果发射机和接收机同时工作，发射机的射频功率往往会泄露到接收机中使得接收机饱和而影响到核磁共振信号的接收，因此，在这种情况下，使用分时发射和接收可以克服以上的矛盾。

第3篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

关键词：脑内肿瘤；核磁共振波谱；临床价值；诊断价值

肿瘤一般可以分为良性和恶性两种类型。良性肿瘤切除手术之后基本患者的病情可以得到痊愈，但是恶性肿瘤一般在早期发现病灶之后及时进行切除手术也可以在一定程度上增长患者的生存年限。肿瘤的诊断和治疗在我国已经取得了一定的进步，但是一些常见的恶性肿瘤仍旧具有较高的死亡率和发病率[1-3]。对于肿瘤患者而言，患者如果能够尽早进行诊断并且发现人体内部的病灶癌变的相关性信息和控制其发展成为了提升患者生存概率的重要方式。患者在肿瘤形成之后，诊疗人员能够有效掌握肿瘤组织出现癌变病程的相关性发展信息，使用对应的治疗方案，有效控制肿瘤的生长速度，提升患者的生活质量。在肿瘤的临床诊断过程中，一般治疗人员都会是一肿瘤切片的细胞学相关鉴定来作为诊断的重要依据，但是这种方式在实际的治疗过程中很难及时获取癌变的相关信息。但是，核磁共振波谱能够对于分子结构产生极强的解析能力，在测定离体组织器官以及细胞等的NMR情况下，能够在肿瘤的早期诊断过程中及时发挥重要作用。

本组抽取了80例脑内肿瘤患者作为研究对象，其目的是分析脑内肿瘤应用核磁共振波谱诊断的临床价值。现报告如下：

1.资料与方法

1.1一般资料

本组研究80例脑内肿瘤患者，男50例、女30例；年龄15～75岁，平均年龄45岁；对患者进行CT和MRI检查来发现患者颅内病变的实际部位。

1.2方法

使用NMR进行扫描，选择脑肿瘤的区域中肿瘤最大的层面来作为核磁共振流量扫描的相关定位层面，使用点分辨波谱的分析序列，并且在波谱的定位图上面选择ROI，进而观察代谢物的变化情况，主要涉及到氮-乙酰门冬氨酸、肌酸、肌醇以及脂质等。

1.3统计学分析

两组患者的统计数据均使用SPSS16.0统计学软件进行分析，计量资料使用均数±标准差（x±s）表示，计数资料使用频数和率（%）表示。计数资料使用x2检验，计量资料和组间比使用t检验，以P

2.结果

根据表1中NMR和病理结果比较可知，NMR检测的结果和患者的病理诊断吻合度为97.9%，具有较高的临床诊断价值。

表1 NMR和病理结果对比

3.讨论

脑内肿瘤又称为脑瘤，属于神经外科当中较为常见的疾病类型，大多数起源于一些脑内的各组织原发性质的脑内肿瘤[4]。一些继发性脑内肿瘤就来源于患者身体中其他部位的恶性肿瘤出现转移或者是临近的相关性组织肿瘤的入侵。在脑内肿瘤患者中，男性患者一般多于女性患者，在任何年龄阶段都可能引发疾病，但是年龄在20-50岁的患者居多。在脑内肿瘤中，确定的发病原因并没有完全确认，其中有一些困难导致病情出现的原因如下所述。首先，癌基因和遗传学因素。肿瘤分子生物学的相关性研究表示，脑肿瘤和肿瘤发生和发展有着密切的关系。一些带有癌症基因的细胞一般不一定都会发生肿瘤，都需要能够经过反复性的各种激惹，之后才能在一定程度上使得细胞发生的相关性演变。其次，物理因素。物理因素中放射线可能会增加肿瘤的发生几率。再次，化学因素。化学因素当中主要就是蒽类化合物，其中的甲基胆蒽比较容易诱发胶质瘤的产生。

MRI技术属于一种无创伤检测的技术种类，能够被广泛使用在和组织细胞形态变化相关的疾病类型诊断过程当中[5]。但是，MRI在检测前列腺癌敏感程度上为91%，特异度主要为27%。MRS技术在一定程度上能够有效检测分子的结果，能够较高地弥补其中MRI存在的不足之处。由于核磁共振技术的持续发展，NMR在一些生物组织当中的应用和研究也在一定程度上取得了较大程度的进展。

在本文研究过程中，结果根据患者的NNA和Cho以及Lip峰值情况，根据患者的波谱数据明确诊断结果，本文研究中确诊的准确率较高。NMR检测发现脑膜肿瘤患者的例数为16例，NMR表现为NAA出现降低或者是明显性的降低趋势，Cho升高，Cr信号出现减弱的情况，还出现Ala峰，肿瘤中卫的相关脑组织正常。另外，NMR中淋巴癌显示为5例，病理确认也是5例，NMR表现的病变区中NAA出现明显降低或者明显降低的趋势，Cho升高。

我国目前对于肿瘤的治疗方式有很多种，其中每种治疗方式的效果都可能因为肿瘤的类型以及病理的不同而产生变化。使用NMR能够在一定程度上有效监护肿瘤的实际发展和变化成都，假如肿瘤细胞对于治疗方式具有较强的抵抗性，那么就需要及时改变治疗方式。在一些早期的肿瘤治疗方式中，选择种类的选择上即为重要。因此，肿瘤的无效治疗在一定程度上可能导致肿瘤的变化。然而，NMR在一定程度上能够有效提供重要的肿瘤变化数据，在患者早期肿瘤治疗方式选择中提供指导性帮助。另外，肿瘤的NMR能够有效预测一些相关的治疗方式的效果，其中有效地治疗方式能够导致P波谱中无机磷酸盐以及磷酸单脂共振峰相对减小，其中还伴随着PH碱性偏移的情况，肿瘤在退化之前能够有效观察到波谱出现明显行变化。另外，波谱在治疗方式的效果和预见性表现较为明显。在临床治疗过程中，使用波谱检测能够有效观察到患者的实际治疗效果，在肿瘤发生实际扩散之前需要采用有效的治疗效果，有效提高肿瘤治疗的实际效果，缩短治疗时间。笔者分析得出核磁共振波谱仪在脑内肿瘤诊断中提供重要的依据和支持，和相关研究结果相吻合[6-7]。

生物的组织内部存在着大量的生化变化，生理反应和一些分子的扩散运动能够实现相互独立和相互关联，进而构成一系列的生化反应性系统。NMR在一定程度上能够对于相关的反应过程的研究提供有效的准确信息，在核磁共振技术不断发展的背景下，根据NMR能够表现出来的肿瘤性代谢特征，能够有效成为在日后诊断和鉴别肿瘤的过程中的重要方式。

在NMR应用在肿瘤诊断过程中，国内已经得到了较为成功的研究成果。对于组织提取物的NMR性研究项目较多，我国国内使用一些高分辨性的魔角旋转来对于离体脑膜瘤和胶质瘤进行相关性研究，并且使用微量探头在一些波谱仪上面测定其中的HR和MAS元素。

本组抽取了80例脑内肿瘤患者作为研究对象，分析脑内肿瘤应用核磁共振波谱诊断的临床价值；结果表明：根据对比发现NMR和病理结果比较可知，NMR检测的结果和患者的病理诊断吻合度为97.9%，具有较高的临床诊断价值。

综上所述：核磁共振波谱诊断在实际的脑内肿瘤的诊断中具有准确度高的优势，对于脑内肿瘤诊断的诊疗具有积极的意义；值得在临床中推广及使用。

参考文献：

[1]杨晓.核磁共振对椎管肿瘤诊断的临床价值分析[J].中国卫生产业，2012，35：107.

[2]巩远方.核磁共振对椎管肿瘤诊断的临床价值分析[J].中国卫生产业，2014，23：156-157.

[3]陈韶云.分子光谱技术在癌症诊断中的应用[J].中山大学研究生学刊（自然科学.医学版），2010，02：21-26.

[4]杜贵胜.谈磁共振波谱在脑内肿瘤鉴别诊断中的应用价值[J].现代预防医学，2010，24：4693-4694.

[5]刘燕萍.核磁共振在椎管肿瘤诊断应用价值分析[J].现代养生，2014，20：45.

第4篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

关键词：DSP；核磁共振；数据接收

DSP具有精度高、灵活性强、可靠性好、容易大规模集成、时分复用、多维处理等优点。磁共振成像系统主要包括磁体、射频、梯度等若干子系统，通过时序上精确地控制这些子系统的发射与接收，再利用磁共振成像原理对被测物体进行成像。在磁共振成像系统中，数据接收系统中担任着将射频输出前端的数据进行放大和采集的任务，其性能的好坏直接影响成像的质量。

磁共振成像信号是调制在拉莫进动频率的窄带高频信号，该信号有三个特性，一：信号强度弱，一般在mv量级。二：信号频率高。三：信号带宽窄。由于这三个重要的特性核磁共振接收系统通常包括信号放大、模数转换、频率解调和滤波抽样等几个步骤。

1：信号放大与相敏检波

磁共振射数据接收系统中至少有两个前置放大器，第一级放大属于射频低噪声放大的研究范畴，第二级放大是采用增益技术对不同幅度的磁共振信号进行放大。由于磁共振成像时，不同的FOV不同的成像方法不同的切片厚度都会对线圈接收信号的幅度造成影响。相敏检波的原因是区分磁共振信号中有频率和相位信息。

2：数字解调

第一级解调是将RF信号和发射机产生的LOIP本振信号进行混频，把目标信号的中心频率解调到中频。第二级解调是采用正交解调的方法将中心频率在中频的信号与发射机产生的FDIN本振信号混频，将目标信号解调至基频，输出同相位的I信号和正交的Q信号。

2：A/D转换

正常情况下，只要满足Nyquist抽样定理的A/D转换器就行，场强越高就需要更高速的A/D芯片。A/D转换的一般工作过程，①取样与保持。②量化与编码。经过A/D转换器的结果是输出一系列代码。

3：数字滤波

数字滤波器是DSP的一个重要分支。它的作用是在形形的信号中提取所需要的信号，并抑制不需要的信号，如干扰、噪声。数字滤波器实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统，以完成对信号进行滤波处理的功能。其输入是一组由模拟信号经过取样和量化的数字量，输出是经过处理的另一组数字量。

射频信号经过A/D转换后，数据会被输入到DDC中的NCO中进行第二级解调，变成基带信号，然后进入CIC滤波器，其取率M可在2-32范围内设置，数据经过FIR滤波器进行补偿后由半带滤波器（RB FILTER）进一步抽取，然后通过两级可变系数的抽取滤波器（CRCF，DRCF）最后得到I信号和Q信号。

CIC滤波器：全名级联积分梳状滤波器，用来降低或提高采样率，仅利用加法器、减法器和寄存器（无需乘法器），占用资源少、实现简单且速度快。

FIR滤波器：全名有限长单位冲击响应滤波器，图3所示的FIR是基于全相位幅频特性补偿的FIR滤波器，它的作用是它可以保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，由于它的单位抽样响应是有限长的，所以滤波器是一个稳定的系统。

RB滤波器：半带滤波器，是一种特殊的低通FIR滤波器，它的通带和阻带相当于二分之一Nyquist频率。它既可以置于上采样变化后组合实现插值处理，也可置于下采样变化前组合实现抽取处理，可防止频谱混叠。图3是置于下采样变化前的半带滤波器的使用。

可变系数滤波器：是以输入和输出信号的统计特性的估计为依据，采取特定算法自动的调整滤波器系数，使其达到最佳滤波特性的一种算法的装置。

4：傅里叶变换

MRI的空间编码方式，其基础是梯度场的引入带来的进动频率改变。选层，相位编码和梯度编码为三维方向上的图像编码手段，最终通过K空间的填充和傅里叶变换得到图像。

图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标，是灰度在平面空间上的梯度。从数学角度看，傅里叶变换是将一个函数转化为另一个周期函数。从物理角度看，傅里叶变换是将图像从空间域变换到频率域。

二维离散傅里叶变换：一个图像尺寸为M*N的函数f（x，y）的离散傅里叶变换F（u，v）公式

（u，v）=（0，0）位置的傅里叶变换值是f（x，y）的均值，原点（0，0）的傅里叶变换是图像的平均灰度。F（0，0）称为频率谱的直流分量，其他F（u，v）的值称为频率谱的交流分量。

经过傅里叶变换之后，经过计算机进行图像增强、图像平滑、图像边缘检测、图像压缩等图像处理后形成图像。

参考文献：

[1]从玉良，王志宏编著 数字信号处理原理及MATLAB实现 ―2版 ―北京：电子工业出版社，2009，7

[2]黄祥国，李燕主编 医学影像设备学 ―3版 ―北京：人民卫生出版社，2004

第5篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

从一般意义上说，代谢组学是指通过分析组群中的单个细胞结构、器官、组织或者体液内的小分子物质，对组群指标进行高位检测和操控处理，利用多元统计学原理和模式识别的技术设备，对细胞体内的代谢物质进行全面立体的检查和研究；是一门对某一特定时间段的有机体全部小分子代谢物质，进行定量和定性解剖处理的学科。

二、代谢组学技术与研究方法

（一）代谢组学的检测技术

1、核磁共振技术

核磁共振技术作为检测有机体机构的重要谱学，能够在自动旋转的原子核的基础上，依靠核外磁场的引力作用，通过吸收到的辐射波刺激发生能量跳迁的一种谱学技术。其优点在于无损害，对检测的样品结构不存在破坏性；操作方式多样化，能够根据实际情况变换多种检测方案，采用不同的实验方法进行研究；速度较快，能够在较短的时间内得到检测结果；富有动态性，能够得到较为与时俱进的灵活变动的研究信息。缺点在于检测的灵敏度不是很高，制约着NMR技术的发展。

2、气相色谱——质谱联用技术

从字面上解析，气相色谱——质谱联用技术融合了色谱、质谱二者的优势特点，检测的灵敏度更高、效能更好、分辨率清晰。由于自身的构造，需要观测的主要参数为毛细管柱的尺寸大小等指标：被检测样品通过毛细管柱时，仪器设备会依据生物体分子的构成性质不同而得到分离，各自流入不同的柱子里，记录下不同时间段里流入柱子里的分子结构，然后利用色谱和质谱进行检验。这样通过利用气相色谱——质谱联用技术，能够及时准确地将被检测样品实行快速的剥离，然后利用相关仪器进行检测和分析处理，最终进行定性分析，记录研究的结论。但是气相色谱——质谱联用技术也有自身的局限性，由于在检测之前需要对样品结构实行预备式的衍生化操作工作，在这一过程中需要耗费较多的时间，会因时间的耽搁而使原本的样品发生一些微妙的变化，使检测结果不真实；同时还有一个缺点在于不能分析某些个大分子代谢物质的结构。

3、液相色谱——质谱联用技术

液相色谱——质谱联用技术把液相色谱作为一个样本的分离处理系统，把质谱当做样本结构的检测处理系统，这样液质联用技术充分发挥了色谱和质谱的优势特色，融于一身。既具备了分离复杂样品结构能力强的色谱的优势，又具有了检测灵敏度高、动态性强的质谱的特点，使这一技术能够更好地为疾病监测发挥自己的力量。

（二）代谢组学研究方法

通常一个比较完整、规范的代谢组学检测程序一般要经过收集样品、处理样品并进行保存工作；进行仪器的分析和选择，获取样本数据，进行数据的定性和定量的分析和处理；最终进行研究结果的总结和归纳，总结出生物学意义上的代谢结论。

三、代谢组学技术在医学临床检验中的应用

1、代谢组学技术与糖尿病、肾病的研究

糖尿病与肾病紧密联系，目前进行的DM并发症的代谢组学技术的研究，更多地涉及肾病，可以借助核磁共振技术分析DN中小分子代谢物质的结构，进行剥离处理和分析，如果实验证明葡萄糖含量和氧化三甲胺的存量在血浆中有上升的趋势，而多种氨基酸却在下降，则证明有机体肾存在着病变，为医学临床诊断和检测提供了实验依据。

2、用于诊断肿瘤

医学专家Odunsi等曾利用氢核磁共振波谱法开创了一个新的医学诊断模型，利用检测血清上的代谢标志物可以诊断出是否存在皮性卵巢癌的病症。Corona专家学者曾利用代谢组学技术用于肿瘤方面的诊断研究，发现了重大的成果，结果中发现通过分离检测能够分析出不同种类的代谢物质分子结构，灵敏度和清晰度较高，其中的色氨酸、丝氨酸及其甘油磷脂等为医学中诊断乳腺癌提供了重要的参考依据。

3、消化系统疾病的检测

医学家利用氢核磁共振波谱法技术建立的生物标志体模型，能够及时、较快速的检测出有机体是否存在肠炎病症，进行及早的治疗。

四、结语

第6篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

关键词：核磁共振 核磁共振成像 食品检测

1 核磁共振技术

将有非零自旋量子数即I≠0的任何核子放在磁场中，都能以电磁波的形式吸收或者释放能量，发生原子核的能级跃迁，同时会产生核磁共振信号，人们称这种核对射频区电磁波的吸收为核磁共振（NMR）。根据分辨率高低NMR可以分为低分辨率（即低场）和高分辨率（即高场）两种，其中低场磁场强度在1.0T以下，主要能提供样品的物理性质；高场在11.7T以上，能够测试分子的化学结构，得到分子内部结构和功能团等化学性质信息[1]，目前应用最广泛的是1H-NMR和13C-NMR。

核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术，是NMR技术的一个分支，利用MRI进行无损切层成像，能够直观地、动态地监测食品在加工、保藏等各个过程中水分分布的变化。MRI的基本原理是：将样品置于磁场中，用无线电射频脉冲激发样品内具有自旋特性的H原子核，引起H原子核共振，并吸收能量，当射频脉冲停止后，H原子核以特定频率发出磁共振信号，将所吸收的能量释放出来，被样品外的接收器接收，经计算机处理获得图像。MRI图像亮的地方代表弛豫信号强，水分含量相对较高；图像暗的地方，弛豫信号弱，水分含量相对较少[2]。

2 核磁共振技术在食品检测中的应用

2.1 NMR技术在水分分析中的应用

水是食品的重要组成部分。卡尔・费休法是目前通用的测量水分含量的标准方法，但其操作较为复杂，并且检测固体样品时必须事先将样品粉碎均匀，对其具有破坏性。传统测量水分的方法还有一个缺点就是只能知道产品中水分的平均含量，但是食品是一个非均匀体系，通过核磁共振及其成像技术，不仅能得到水分含量，更能够清楚地掌握水分子的存在状态和分布迁移情况。水分子的结合能力和流动性，对于食品的品质和稳定性有更重要的影响。NMR和MRI是一种完全非破坏的分析手段，它通过检测食品中H质子的弛豫时间，直观地显示食品中水分活性状态分布和水分的分布与迁移，近年来在食品科学领域得到广泛的应用，可以用来检测食品的物理及化学特性。

2.2 NMR技术在油脂分析中的应用

在国外，利用NMR技术对脂肪进行分析已经应用得较为广泛。在我国，2015年最新修订的国家标准GB/T 31743-2015选择了核磁共振直接法作为固体脂肪含量的测试标准，测试使用自由感应衰减序列（FID），NMR直接法测定样品中的固体脂肪信号和液体脂肪信号，经过计算处理得到固体脂肪含量SFC。

NMR技术在测定油脂氧化稳定性方面也得到了应用。运用NMR技术通过测定油脂中脂肪酸对质子吸收的变化，确定油脂的氧化稳定性，该法既快速准确，又无破坏性。利用NMR技术测定菜籽油和豆油在存储过程中，其脂肪酸组成中的脂肪族、烯键、二烯丙基亚甲基的变化，脂肪族质子与烯键质子的比率，和烯键质子与二烯丙基亚甲基质子的比率，均随存储时间增加而不断增加。NMR技术是一种新型、快速、无损的评价食用油脂氧化稳定性的方法。

NMR技术在油脂品质鉴定中也发挥了作用。有研究者利用NMR分别测定了地沟油、泔水油和食用油（花生油、菜籽油、大豆油）在10℃和0℃下的SFC值，研究结果发现，地沟油和泔水油的SFC很高，食用油的SFC值几乎为0。食用植物油中只要掺加的餐饮废油超过1%即可被检出，且随着掺入量的增加油脂的SFC值也会增大。可以利用这一特性来鉴别食用植物油的掺杂现象，并确定掺入废油的量[3]。

2.3 NMR技术在乳制品中的应用

近年来，NMR技术在乳制品领域的研究不断增多。NMR技术可用于乳制品的定量和定性分析，检测生物活性反应，同位素分析，研究乳脂肪和水构成的物理状态，以及乳制品中蛋白质的凝聚等。

1H-NMR和13C-NMR可以用来为分析乳脂肪中油脂的构成提供定量数据，包括油酸、棕桐油、奶油酪酸和三甘油酯等的质量比例关系，也可以测定烯键在sn-1和sn-2位置上的分布。

NMR技术可以运用到活性反应的检测之中，其能够在不破坏生物活性条件下对乳制品中的微生物进行检测。将微生物放在NMR检测管中进行培养，通过在不同时间内测定样品图谱，对微生物的新陈代谢过程进行追踪，对标有13C物质进行跟踪检测，从而对乳制品中微生物生长进行监测。

NMR技术还可以快速评价乳脂肪的物质特性。利用固体脂肪中的质子与液体脂肪中质子的弛豫时间T2的不同，求出液态脂肪与固态脂肪的比例。将样品放于强磁场中，固体脂肪中的质子交换能量的速度快，因为刚性晶格中质子间的距离短，便于能量传递；然而对于液体脂肪来说，质子间的距离较大，弛豫时间较长。在固液混合物中施加90°射频脉冲后，根据来自固体脂肪的信号量Ss和液体脂肪的信号量St，即可求得液态脂肪相对于固态脂肪的比例和SFC。

2.4 NMR技术在水果品质无损检测中的应用

利用NMR技术可以检测水果的内部品质及成熟度。NMR技术通过探测浓缩氢核及被测物在油水混合团料状态下的响应变化，能显示果实内部组织的高清晰图像，因此在测定含油水果如苹果、香蕉的糖度和含油成分等方面具有潜在应用价值。经研究发现，利用自由感应衰减（FID）谱测定人心果中的可溶性碳水化合物，成熟果实与未成熟果实的13C-NMR谱显示：成熟的果实有葡萄糖和果糖两个峰，而未成熟的果实只有蔗糖一个峰。利用MRI成像技术可以对果实的内部进行无损成像。桃、橄榄等水果核内有富含水和油脂的种子，利用MRI成像技术可以观察到暗色的圆圈中亮色的种子，利用该技术能够检测加工过程中果核是否剔除干净[4]。利用MRI成像技术对桃和梨进行成像，结果发现在MRI图像中，果实受损伤部分比邻近区域更亮，有虫害的部分比没有虫害的部分要暗，干枯的部分比正常部分要暗淡，有空隙的部分要比M织密实的部分暗淡。

NMR及其成像技术在氨基酸和蛋白质的结构测定，糖类的化学结构，淀粉的糊化、老化、食品污染物和农药残留的分析等方面也已经有应用研究。利用NMR技术还可以对酒的成分和品质进行分析。有研究利用NMR技术分别对不同工艺的白酒和用食用酒精勾兑的白酒进行波谱分析，发现样品在甲基峰和亚甲基峰，强峰数和弱峰数上存在差异[5]。

3 结语

NMR作为一种快速、无损、安全高效的检测方法，以其较强的穿透能力，对样品不具有破坏性、定量测定不需要标样、不受样品厚度的影响等优点，在现代食品安全检测方面有着很好的应用前景。但是从目前的研究现状来看，还存在一些局限性。目前，分析检测主要应用于一些常量成分的分析，对复杂成分的分析还较少，此外，核磁共振设备费用较高，并且因为核磁数据的分析有其专业性和复杂性使得核磁的应用受到一定限制。在今后的研究中，可以将核磁共振技术与气、液相色谱仪，质谱仪等其他先进的分析仪器相结合，能够更准确地对食品品质进行分析，拓宽核磁共振的应用范围。随着NMR技术的进一步完善，核磁共振技术在食品检测中将会发挥更大的作用。

参考文献：

[1] HILLS B， WRIGHT K，GILLIES D. A low-field， low-cost Halbach magnet array for open-access NMR[J]. Journal of Magnetic Resonance， 2005， 175（2）： 336-339.

[2] 林向阳，何承云，阮榕生，等.MRI研究冷冻馒头微波复热过程水分的迁移变化[J].食品科学，2005，26（8）：82-86.

[3]王乐，黎勇，胡健华.核磁共振法鉴别食用植物油掺伪餐饮业废油[J].中国油脂，2008，33（10）：75-77.

第7篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

【关键词】低场核磁共振 食品

低场核磁共振技术（nuclear magnetic resonance，NMR）是指具有固定磁矩的原子核（如1H、13C、31P、19F、15N、129Xe等）在恒定磁场与交变磁场的作用下，与交变磁场发生能量交换的现象，目前应用较为广泛的是以氢核为研究对象的核磁共振技术[1]。其中，将恒定磁场强度低于0.5T核磁共振现象称为低场核磁共振[2]

1低场核磁共振技术在食品中水分检测的应用

低场核磁共振技术在食品中水分的应用有很多，在绿豆浸泡过程、大米浸泡过程、海参复水过程、胡萝卜切片干燥过程、水分分布、水分含量、水分性质，都得到了一定的应用。2009年上海理工大学医疗器械与食品学院李然[2]等人利用低场核磁共振技术对绿豆浸泡过程进行了研究，试验结果表明，自由水作为溶剂在绿豆吸水过程中参与各种生化反应，故自由水的质子密度（信号量）上升量最大，从核磁共振图像中可以看到水是从脐处慢慢进入绿豆内。低场核磁共振技术同样也可应用于其他粮食浸泡过程分析。2007年浙江工商大学食品与生物工程学院余瑞鑫[3]等对3种大米浸泡过程中的水分状态进行低场核磁共振技术测定。通过对糯米浸泡过程中水分状态变化的研究得出；水分进入到糯米中心所需的浸泡时间最短为35min，浸泡加水量最少为35%；水温在15-30℃范围内，每升高5℃，糯米达到相同水分状态的浸泡时间可以缩短10min；2009年中国海洋大学食品科学与工程学院张文杰博士[4]等采用低场核磁共振技术及其成像技术研究海参中的水分含量、分布及状态变化，研究结果表明，海参复水过程初期随着复水时间延长，海参体内自由水、不易流动水含量增加，但不易流动水含量变化不显著，低场核磁共振技术为海参复水加工过程中物性参数的研究提供了一种有效方法。2006年南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室徐刚[5]等为研究胡萝卜切片在干燥过程中内部水分变化的特征，应用低场核磁共振技术的横向弛豫时间反演谱分析胡萝卜切片在干燥过程中内部水分的变化。试验结果证明，干燥过程改变了胡萝卜样品中水的结合状态，自由度高的水分向自由度低的迁移；随着干燥温度升高，干燥速度加快，但温度为80℃时，由于物料表面结壳阻碍了水分的外迁从而影响干燥速率。低场核磁共振技术不仅在国内得到了应用，在国外也得到了一定的应用。在水分分布上的应用，Engelsen[6]等的试验结果表明，在焙烤过程中T2曲线显示了多相性，并可分为3种变化（轻度结合水上升，牢固结合水上升，牢固结合水下降，水相饱和），还观察到淀粉糊化的主要转变过程。MangitM[7]利用低场核磁共振技术研究冷藏肉发现：冷冻温度越低、冻藏时间越长，肉在解冻、烹饪时的水分损失增加；高pH的新鲜肉比正常pH值的肌原纤维中水分分布更均匀。在水分含量上的应用。

2 低场核磁共振技术在食品中油脂检测的应用

传统的油脂检测方法需要大量的时间和化学试剂，很难在线快速对油脂品质变化程度做出评价。新型检测方法如化学感官系统电子鼻和近红外傅里叶变换仪可以快速检测油样，但其与常规指标的相关系数并不高。因此，寻找一种快速、便捷、灵敏、低成本的新型检测方法成为油脂行业的一个新的研究方向。目前，低场核磁共振技术主要对检测对象的纵向弛豫时间（T1）、扩散系数以及CPMG（carr-purcell-meiboom-gill）回波数据进行分析，在油脂检测中应用广泛，2009年Rudi等利用时域NMR技术对样品进行复合弛豫分析，在同一时间测定纵向和横向弛豫时间T1和T2，使得生产过程中的油水含量可同时测定；2010年Miquel等利用NMR研究榛子油在巧克力中的移动情况，并获得其扩散系数；2011年Martina[等建立了NMR弛豫时间与深度煎炸油的极性组分总量建立关系，发现NMR弛豫时间能较好的反应极性组分含量，利用脉冲式NMR方法测定油脂中超临界流体色谱（SFC）含量，以鉴别食用植物油掺伪餐饮业废油脂；2011年周凝[等应用LF-NMR的T2弛豫反演图谱研究米糠毛油掺伪食用油，发现米糠毛油在T2弛豫图谱10ms左右出现特征峰，该峰面积比随着毛油掺伪量增加而线性递增。低场核磁共振技术是一种非常有潜力的油脂快速检测新技术，可为后期煎炸油的快速检测技术提供基础研究基础。

【参考文献】

[1]阮荣生.核磁共振技术在食品和生物体系中的应用[M].北京：中轻工业出版社，2009：1～36.

[2]徐志斌，陈青.水分条件对海参质构特性及微观结构的影响研究[J].食品科学.2010（07）.

[3]王肇慈，周瑞芳.粮油食品分析[M].北京：中国轻工业出版社.1984.4～7.

[4]谭国福，吴德刚，等.海参的加工及产品质量[J].食品与药品，2007，9（10）：69～71.

[5]徐艳阳，孙金才.国内外果蔬分阶段联合干燥技术研究的进展[J].干燥技术与设备，2003（1）：9～11.

第8篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

【摘要】   目的 解析棉酚金刚烷胺schiff碱的结构。方法 制备棉酚金刚烷胺schiff碱，并采用红外光谱，二维核磁波谱技术和pm6半经典 计算 方法对其结构进行分析。结果 光谱分析表明棉酚金刚烷胺schiff碱具有烯胺烯胺结构特征并归属了所有的碳原子和氢质子的化学位移;pm6研究表明棉酚金刚烷胺schiff碱的烯胺烯胺和亚胺亚胺构型的生成热分别为-1 160.00 kj·mol-1和-1 008.319 kj·mol-1，其烯胺烯胺构型在能量上更有利。结论 棉酚金刚烷胺schiff碱以烯胺烯胺形式存在，分子内氢键的存在使烯胺烯胺结构更稳定。

【关键词】   棉酚;金刚烷胺;schiff碱;光谱分析;pm6半经典计算

2.college of pharmacy,wuhan university,wuhan,hubei 430070,china)abstract:objective to investigate the tautomeric form of the schiff base of gossypol with adamantanine. methods the schiff base of gossypol with adamantanine was synthesized and identified by ftir，2dnmr spectroscopy and the pm6 semi classical calculation.results the 1h and 13cnmr signals of the new schiffbase were assigned .the calculated formation heat for nenaminenenamine and niminenimine tautomeric forms are -1 160.00 kj·mol-1and -1 008.319 kj·mol-1 respectively，indicating that the former tautomer is more stable. conclusion the schiff base of gossypol with adamantanine exists in enamineenamine tautomeric form，which was stabilized by the intramolecular hydrogen bonds.

key words:gossypol; adamantanine;schiff base; spectroscopic analysis; pm6 calculation

棉酚是锦葵科植物棉花的根、茎和种子所含的一种黄色多元酚类化合物，是一个具有手性的阻旋型旋光异构体，近来研究显示棉酚具有诱导凋亡、免疫调节、抗癌和抗病毒等多种生物活性，特别是对艾滋病毒、流感病毒、疱疹病毒等多种膜病毒显示出较强的抑制或杀灭作用，同时棉酚也是第一个来源于植物且非常有价值的干扰素诱生剂，是一种潜在的广谱抗病毒化合物[1-2]。

从结构上看，棉酚是集醛基和多个酚羟基于一体的天然化合物。实验已证实6、7或6′、7′酚羟基是抗病毒活性必需的，若酚羟基被取代，则抗病毒活性降低或丧失[3];棉酚的甲酰基与其细胞毒性有关，不是抗艾滋病病毒的必需基团，对其修饰后可降低毒性[4];金刚烷胺具有抑制甲型流感病毒脱壳作用，可用于流感预防和早期 治疗 。依据拼合原理，本文设计并合成了棉酚金刚烷胺schiff碱，因棉酚schiff碱存在烯胺烯胺和亚胺亚胺两种构型，不同的棉酚schiff碱衍生物其构型是不同的，棉酚金刚烷胺schiff碱也可能存在烯胺烯胺或亚胺亚胺两种构型(结构见图1)，因此利用红外光谱、二维核磁波谱技术如1hnmr、13cnmr、dept、1h1hcosy、hsqc和hmbc以及pm6半经典定量计算方法对其结构作了详尽的解析，并确立其优势构象。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

棉酚(武汉远城科技 发展 有限公司，质量分数99%)，金刚烷胺(sigmaaldrich公司，质量分数99%)，其他溶剂和试剂除特别注明外均为分析纯，使用前未进行处理。re52旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂);5700型红外光谱仪(美国尼高力公司);vx300型核磁共振仪(300 mhz,美国varian mercury公司);毛细管电泳电喷雾质谱仪 p/ace mdq，lcd advantage(美国beckman coult公司);wrs1b数字熔点仪(上海先科仪器有限公司)。

1.2 合成

称取金刚烷胺58.4 mg (3.861×10-4mol)， 以7 ml无水乙醇溶解。称取棉酚100 mg (1.930×10-4 mol)，以8 ml无水乙醇溶解。将金刚烷胺和棉酚的乙醇溶液倒入25 ml圆底烧瓶，65 ℃搅拌回流2 h，得到黄色沉淀。将生成物0 ℃静置2 h，充分沉淀后抽滤，以无水乙醇洗涤，干燥称重，得产物144.5 mg，产率为95.5%。测定熔点mp>300 ℃。ir(kbr) λ/cm-1: 3 482.54， 3 271.15， 2 913.71，

2 850.99，1 617.40，1 545.33，1 491.95，1 430.41，

1 398.25，1 382.38，1 344.19，1 243.74，1 198.20。esims(m/z):784.45[m+h]+。氢谱和碳谱数据见表1。

1.3 红外光谱测试

在nicolet 5700型红外光谱仪上测定棉酚金刚烷胺schiff 碱的红外光谱，采用溴化钾压片。

1.4 nmr谱测试

棉酚金刚烷胺schiff 碱的氢谱(300 mhz)， 碳谱(75.455 mhz)和二维核磁波谱(dept，1h1hcosy，hsqc 和 hmbc)等在varian mercury vx300型核磁共振仪(300 mhz)进行测定，氘代三氯甲烷作溶剂。

1.5 pm6半经典定量计算

pm6半经典定量计算采用 winmopac2007软件。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

棉酚金刚烷胺schiff碱中1、1′oh的特征峰出现在3 482.54 cm-1,而6、6′oh则由于分子内氢键o6—h…o7的作用而出现在3 271.15 cm-1处。 o7…h—n16分子内氢键振动吸收峰应该出现在低于3 000 cm-1区域，但由于氢质子位于氮原子上，所以此振动吸收峰较弱而不易观察到。在棉酚的图谱中，其萘环的cc特征峰出现在1 596.8 cm-1,而在棉酚金刚烷胺schiff碱中，该峰消失，在1 545.33 cm-1和1 491.95 cm-1出现了新的信号，c7o的特征峰在1 617.4 cm-1。以上红外光谱特征与 文献 [5]报道的棉酚烯胺烯胺schiff碱衍生物相符。

2.2 nmr谱分析

在1hnmr和13cnmr基础上结合dept、 hmbc、1h1hcosy和hsqc等二维光谱分析，归属了所有的碳原子和氢质子的化学位移，见表1。表1 棉酚金刚烷胺schiff碱1h(300 mhz)和13cnmr(75.4 mhz)的光谱数据(cdcl3)

在1hnmr谱中，烯胺n16—h和c11—h均以双峰形式存在，为n16—h和c11—h之间相互偶合引起的，偶合常数j值均为12.9 hz，δ 9.802和13.590分别归属h11和n16—h。同时依据hsqc，δ 158.255与h11直接相关，所以δ158.255归属c11。在hmbc谱中，δ 54.756 和172.052 均与9.802(h11)质子存在远程相关，而且δ 54.756还与金刚烷胺结构中的亚甲基质子(δ 1.940，归属c18)存在远程相关，所以δ 54.756归属金刚烷胺结构中的季碳c17。c9 与δ 9.802(h11)质子不存在远程相关，因而δ 172.052归属c7，显示c7为羰基碳。以上结果表明棉酚金刚烷胺schiff 碱是以烯胺烯胺的构型存在。

2.3 pm6半经典定量 计算

依据mopac2007 软件对棉酚金刚烷胺schif碱的烯胺烯胺和亚胺亚胺构型两种构型自动进行优化计算,得到生成热分别为-1 160.00 kj·mol-1和-1 008.319 kj·mol-1，可以看出：棉酚金刚烷胺schiff碱的烯胺烯胺构型在能量上更为有利，其优势构象见图2，而且分子内氢键的存在使烯胺烯胺结构更为稳定，这与光谱(ir，nmr)的数据分析结果相吻合。

棉酚金刚烷胺schiff碱的烯胺烯胺优势构象结构中分子内氢键o7…h—n16是最稳定的氢键，因为其键长为1.858 8，键角为127.3°;而分子内氢键o6—h…o7相对弱些，其键长为2.085 3 ，键角为112.3°。分子中的联萘环被强烈的扭曲，c1c2c20c10间的扭角为96°。

3 结论

采用红外光谱、二维核磁波谱技术和pm6半经典计算方法对合成的棉酚金刚烷胺schiff碱结构进行分析，红外光谱和二维核磁波谱技术研究结果表明棉酚金刚烷胺schiff碱具有烯胺烯胺结构特征并归属了所有的碳原子和氢质子的化学位移;pm6研究表明棉酚金刚烷胺schiff碱的烯胺烯胺和亚胺亚胺构型的生成热分别为-1 160.00 kj·mol-1和- 1 008.319 kj·mol-1，其烯胺烯胺构型在能量上更为有利，分子内氢键的存在使烯胺烯胺结构更为稳定，与光谱分析结果相符，表明棉酚金刚烷胺schiff碱以烯胺烯胺形式存在。

【 参考 文献】

  　[1] dodou k. investigations on gossypol: past and present developments [j]. expert opin investig drugs，2005,14(11):1419-1434.

[2] baram n i，ismailov a i，ziyaev k l，et al. biological activity of gossypol and its derivatives[j]. chem nat compd，2004,40(3):199-205.

[3] lin t s，schinazi r f，zhu j l，et al. antihiv1 activity and cellular pharmacology of various analogs of gossypol [j]. biochem pharmacol,1993,46(2):251-255.

第9篇：核磁共振波谱法的基本原理范文

关键词：核磁共振；磁共振成像；模拟仿真；脉冲；插件模式；Java

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3088-05

WxSPROM-an Efficient Software for NMR/MRI Simulations under Inter-molecular Multiple Quantum Coherences

YU Hai-yan1, CAI Cong-bo2, CHEN Zhong2

(1.Department of Communications Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2.Department of Electronic Science And Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Abstract: WxSPROM can be used to simulate nuclear magnetic resonance (NMR) spectra and magnetic resonance imaging (MRI).Combining the product operator matrix with the non-linear Bloch equations, the software can be used to simulate the classical and quantum effects such as, scalar coupling, long-rang dipolar coupling, diffusion, chemical shift, radiation damping, transverse relaxation and longitudinal relaxation efficiently. WxSPROM supports the design of complex pulse sequence based on GUI and a variety of custom shapes for pulse/ gradient in the simulation. The software, written in Java, based on Eclipse RCP plug-in frame，provides a good user experience and has strong scalability. WxSPROM can be seamlessly connected with WxNMR, which developed for magnetic resonance instrument by our team, greatly expanded the functions of latter.

Key words: NMR; MRI; simulation; pulse; plug-in frame; Java

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）因其精确性，选择性以及无创性已经成为目前应用最为广泛的谱学方法之一，在各个领域都展现出极强的生命力和广阔的发展前景。NMR谱图可以提供丰富的物质结构信息，因此尽可能的提高谱图的分辨率就成为NMR研究中最重要的目的。高分辨率的NMR实验依赖的是均匀稳定的磁场，但在实际的NMR实验中提供的磁场通常都是不均匀不稳定的，这样的条件下如何得到高分辨率的谱图就成为谱学研究中的难点，分子间多量子相干（iMQC）的出现为这一难题带来了希望。iMQC源自分子间的远程偶极耦合作用，在不均匀磁场中，采用CRAZED脉冲序列得到的iMQC谱是只依赖于样品中偶极相关距离内局部磁场的均匀性的，因此要得到高分辨率谱图就只需要两个自旋间的磁场相对均匀即可。根据这一理论很多学者进行了深入研究，提出了不少便捷可靠的方法来获取高分辨率的谱图。实验已经证实，利用iMQC来克服磁场的不均匀性是一种行之有效的方式，因此研究iMQC在NMR中的应用具有重要的现实意义。

在计算机技术高速发展的今天，科学研究已经不单单依赖于传统的物理实验了，数值模拟往往会在其中起到重要的作用。这是由于在很多情况下，实际的实验条件并不理想，复杂多变的环境往往给实验的进行和结果分析带来很大困难。多次的重复性实验不仅要浪费大量的人力与物力还会大大延迟研究的进度，对科研工作十分不利。NMR和MRI经过多年发展，其理论已经相当完善，以此为依据可以为其建立精确可靠的数学模型，这为它们进行数值模拟奠定了良好的基础。NMR谱图与MRI图像都是由复杂的脉冲序列，经过大量繁杂的运算产生。利用计算机模拟对其进行辅助研究就是一种极为有效的手段，不仅可以对实际实验进行指导而且可以大量节省实验时间[1-4]。

Bloch方程在常规的NMR研究中一直起着非常重要的作用，在描述核自旋的运动状态时充分考虑到了弛豫，分子扩散，化学位移，不均匀场，辐射阻尼场及远程偶极场等宏观效应，但却对存在微观量子效应的情况无能为力。密度算符虽可以解决量子效应却难以处理辐射阻尼，扩散等宏观效果[5]。现存的一些模拟软件，如：BlochLib，Qsim等均只能关注宏观或量子效应中的一个方面，若它们同时存在，就会显得力有不及[1]。近十几年来，随着iMQC的兴起，如何将它与传统的Bloch方程有效结合就变成一个难题。这个难题直到我们在2005年通过引入积算符矩阵才得以解决，基于这种方法的模拟软件SPROM于2008获得发表[1]，并在数篇SCI论文中获得应用[1]。

然而，我们于2008年发表的SPROM软件采用Visual C++进行开发，不具备跨平台能力，具有相对的封闭性。另外，在人机界面上,该模拟软件无论在脉冲序列设计方面，还是在模拟结果显示方面都显得十分粗糙，越来越不适应新研究工作的需求。

我们小组曾承担了“十一五”国家科技支撑计划项目“300MHz~500MHz核磁共振波谱仪的研制”的部分工作，并在该计划项目中负责开发了相应的谱仪控制软件WxNMR。WxNMR软件既有控制自主研制的500MHz谱仪进行各种复杂脉冲序列实验的能力，又具备强大的数据处理功能。作为WxNMR软件的一个功能模块，我们开发了WxSPROM模拟软件。该模拟软件可以与WxNMR软件进行无缝连接，并利用共同的脉冲序列同步进行实验和模拟仿真。通过模拟仿真可以指导我们在实际实验过程中选取正确的实验参数获取最优结果，节省时间，减少人力与物力的消耗。

软件采用Java语言编写，基于Eclipse RCP开发，具备插件体系的一系列优势，整个软件做到模块化，动态化，具备极强的可扩展性，而且可以脱离Eclipse框架独立运行，完全能够做到跨平台的效果。无论是做二次开发还是用作独立软件来使用都极为方便。

1 Eclipse RCP简介

新的软件是在SPROM的基础上设计完成，其中一项重要的改进就是采用Eclipse RCP架构进行开发。Eclipse RCP（Eclipse Rich Client Platform）是Eclipse向用户提供的构建富客户端应用程序的框架，给予开发者创建可扩展客户端应用程序的能力。这些应用能够得到Eclipse的底层支持。该框架的流行得益于几个重要技术的发展：Eclipse插件体系，SWT/JFace图形机制和OSGI规范。

1.1 Eclipse插件体系结构

插件结构的概念最早来自于计算机硬件，其本意在于不修改程序主体的情况下对软件功能进行扩展和加强。为满足现今软件开发高效率和高质量的要求，插件的思想已被纳入到软件开发的体系中。Eclipse的流行正是源于它的开源和优秀的插件体系结构。在Eclipse中插件就是为系统提供功能的代码或数据的结构化包，除了小型的运行时内核之外，所有的东西都是插件。也就是说所有功能部件都是以同等的方式创建的。每一个插件都可以使用其他插件提供的服务同时也能够为其他的插件提供服务[8]，因此在理论上是可以无限扩展的。在Eclipse中所有插件均为独立的功能模块，可以按不同功能和职责划分模块，分离Model和UI部分，这样可以带来更好的，松耦合的系统设计。

在插件体系中存在一种极重要的机制-扩展机制。它是为插件添加功能的唯一方法。其中的扩展点就是在插件中定义出来可以让用户扩展的地方，实质为一个端口的定义，为用户和服务提供者之间提供了一种相互协调的规则。插件功能的扩展可以通过实现各个扩展点来完成，不同插件之间也可以通过对扩展点的实现来完成相互间的无缝连接。WxSPROM与WxNMR的连接正是基于这样的特性。

1.2 SWT/JFace图形库

过去Java桌面应用程序开发主要使用AWT和Swing，但它们并不使用操作系统自带的窗口部件，因而使得这种方式开发的程序体积庞大、运行速度缓慢，占用内存大，而且又总是与本机应用程序的外观格格不入，用户体验效果不佳。鉴于以上种种不足，Eclipse RCP框架采用了全新的SWT/Jface工具包，直接调用本地操作系统的图形库。SWT的组件类有它自己在操作系统中相应的对等体，SWT体系直接通过JNI（Java Native Interface）来操作本地图形库，因此它的组件可以从自己的对等体中直接获得所需资源，而且还可以直接从操作系统获取所有的事件进行处理。只有在当前操作系统中找不到所需的部件时，才会采用模拟的方式进行绘制，因此整个软件的LOOK & Feel与操作系统的习惯完全一致，具备良好的用户体验[8-9]。更重要的是，对本地方法的直接调用提升了软件的运行速度，使得应用程序灵巧而高效，大大提高了可模拟的自旋系统的复杂度。

1.3 OSGI规范

OSGI（Open Services Gateway Initiative）是一个开放性的网际服务规范。它可以对不同的软件进行规范化管理。Eclipse RCP插件体系就是基于OSGI规范的。它提供了一个通用的，安全可管理的Java框架，支持各个插件的部署和扩展。它可以对各个插件进行生命周期的管理并且定义了生命周期中的动态协作模式，即，支持热插拔的方式[9]。由此，插件可以实现动态添加和卸载或者根据需要进行升级，既提高了软件性能又不会因此而导致系统崩溃。这为整个应用系统的安全性提供了保证。

1.4 Eclipse RCP应用框架

Eclipse RCP应用程序实际上就是插件和运行时内核的组合。大致的构成如图1所示。

图1 RCP框架图

一个最小化的RCP应用程序可以只需要Java基础类库，占用空间极小[8-9]。在此基础上开发的软件可以具备较高的运行效率。WxSPROM正是采用了这样优秀的框架。它本质上是Eclipse的插件，但又具备独特的优势，只要提取出运行时所需的最少的依赖项就可以将其打包成为独立的应用程序，完全脱离Eclipse环境，不仅减小了程序文件的体积而且在运行时占用更少的空间，提高效率。

2基本功能及设置

2.1基本功能

该软件具备简单而友好的GUI，无论是实验参数的设置，脉冲序列的设计还是实验结果的图形化输出都极其人性化。软件设置以下几项主要功能：

1）系统参数的输入及控制；

2）脉冲序列的读取及设计；

3）对一维、二维及三维复杂的NMR谱进行模拟仿真；

4）依据现有的各种磁共振成像（MRI）技术进行模拟仿真；

5）模拟结果的图形化输出并对图像做相应的处理。

2.2系统设置

进行模拟实验前，首先要对自旋系统的各项参数进行设置，如磁化强度M0，旋磁比γ，化学位移ω，纵向弛豫时间T1，横向弛豫时间T2，平移自扩散系数D和标量耦合常数J等。软件提供了简洁明了的系统参数设置界面，用户可在此对参数进行设置或修改，软件会自动建立新的系统并保存其相应的系统参数；如果要对已存在的系统再次模拟，则可直接从相应的文件中读取系统参数，不必重复设置。

2.3脉冲序列设计

所有的NMR实验，无论简单还是复杂，都是由一系列的指令来控制，这些指令就被称为脉冲序列。它要控制脉冲发射的时刻，持续时间，脉冲的频率，相邻脉冲的时间间隔等重要信息。因此无论是控制软件还是模拟软件，脉冲序列的设计都显得十分重要。

设计脉冲序列的图形化界面如图2所示。软件进行了人性化设置，提供脉冲元素面板，元素属性视图，脉冲序列编辑器等，用户可以在此与系统进行交互式操作，设计所需的脉冲序列。除此之外，系统中还存有常用的脉冲序列文件作为序列库，用户可以打开其中的任一文件直接读取脉冲序列进行模拟实验；也可以在此简单序列的基础上，通过可视化界面对原有序列加以修改，设计出各种复杂的脉冲序列完成实验。编辑模式中的所有序列元素都具备相应的鼠标事件及快捷菜单，用户可以轻松完成增，删，改，排序等操作，例如，删除序列中的某一元素，只要右键点击删除即可。修改序列时常见的排序也可以通过鼠标拖动直接完成，更可以通过元素属性视图来完成序列微调，系统会自动检测新的序列并刷新显示，方便快捷。用户可以在系统中建立个人序列库，个人常用序列可以存入库中方便再次查询及应用。

3.4结果输出

在显示输出模块中，模拟结果可以按用户所需的方式进行显示并做各种处理。谱（包括一维谱，二维谱，阵列谱等）和成像结果采用图像来显示，如灰度图和彩色图等。其中，WxSPROM软件为二维谱提供了三种类型的图：灰度图，彩色图和等高线图，它们可以任意角度旋转并能实现局部图像任意放大。

图2WxSPROM进行脉冲序列设计的图形化界面

图3实验和模拟的二量子相干谱图

3仿真实例

以下是基于WxSPROM进行模拟仿真的两个实例。

3.1二维谱模拟

我们首先对包含分子间二量子相干及分子内标量耦合作用的复杂脉冲序列进行模拟仿真。模拟体系为溶解在环乙烷中的甲乙酮溶液，构成一个单自旋+I2S3自旋系统。I和S自旋间的标量耦合常数为7Hz。分子间二量子相干序列如图2所示。通过分子间二量子相干序列的作用，磁共振信号在分子间二量子相干及分子内标量耦合共同作用下进行演化，分裂模式极为复杂[10-11]，因此根据理论预算来分析最终的磁共振谱图是相当困难的，而通过模拟我们可以很好地对实验结果进行预测及描述。此时模拟的优势就得以凸显。在模拟中，我们所采用的模拟参数均尽量接近于实验中所用的参数。图3分别给出了二维谱模拟和实验的结果，从图中很容易看出虽然实验谱图给出了相当复杂的谱峰模式，模拟结果和实验结果仍然可以符合得相当好。

3.2成像模拟

经过多年发展，MRI以其无损伤性及成像对比度多样化的特点，已经成为目前应用最为广泛的医学成像方式之一[12]。磁共振成像技术发展到当前，各种各样的成像脉冲序列纷纷涌现，比如SE序列、GRE序列、EPI序列及SPIRAL序列等[13-14]。WxSPROM软件对各种复杂的成像序列均可以进行模拟,我们对目前在超快速成像领域最常采用的EPI序列进行成像模拟来作为实例。算法的基本思想是对成像对象在成像空间内所有体元的磁化强度矢量M求解Bloch方程，模拟MRI系统的扫描、信号采集和图像重建过程。在模拟中，用一个直径为3.4cm的水球作为模型，如图4(a)所示。模型的化学位移为0Hz，磁化强度M0=0.03 A/m；纵向弛豫时间及横向弛豫时间均为1s，扩散系数D=2.0×10-9m2s-1。成像FOV在频率编码维及相位编码维均为4cm，并具有64*64的分辨率。通过WxSPROM软件进行模拟，得到模拟结果如图4(b)所示。模型与模拟结果的对比表明，WxSPROM可以有效地进行MRI模拟。

图4成像模拟

4结束语

在利用经典理论和量子效应来模拟NMR和MRI方面，WxSPROM是一款非常强大和有效的工具。通过WxSPROM进行模拟使我们在实验之前就可以对它的结果进行预测，从而选择更好的参数进行实验，大大节约宝贵的实验机时，除此之外软件还具备图像处理的功能，它可以将实验、模拟取得的图像进行整体或局部的调整，如，局部的放大等，方便用户在细节上的观察研究，利于对实验数据进行分析以发现实验中存在的问题。

参考文献：

[1] Cai C B,Lin M J,Chen Z,et al.SPROM-an efficient program for NMR/MRI simulations of inter-and intra-molecular multiple quantum coherences[J].Comptes Rendus Physique,2008(9):119-126.

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