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第 05 章

05-01
化学位移

05-02
磷谱

05-03
其他核的活体波谱

氢谱
碳谱
氟谱
钠谱和钾谱
05-04
活体波谱的定位技术

受激回波波谱
点分辨波谱
成像选择性活体波谱
05-05
化学位移成像


05-03  其他核的活体波谱

我们集中讨论活体磷谱,是因为磷核是一个典型的原子核,磷谱具备活体波谱的基本特点,而且磷核也是早期活体波谱研究最为广泛的原子核。

不过,后来活体氢谱的研究日益增多。现在,活体氢谱比磷谱更为普遍。

其他原子核,如碳核、氟核的波谱也逐渐可以在标配仪器上进行采集。表05-02列出了活体研究中所涉及到的原子核的主要特性。


表05-02
活体磁共振波谱所涉及到原子核的优缺点。


自旋量子数,n,是原子核的基本属性。和其他物质一样,原子核自旋可以占有2n+1个能级,n等于1/2的原子核有两个能级,n等于3/2的原子核有4个能级。

自旋量子数大于1/2的原子核被称之为四极核。在实践中,四极核的一个典型特征就是他们的弛豫对电场、磁场的涨落非常敏感,所以他们的弛豫时间T1和T2远远短于自旋量子数为1/2的原子核。

既然我们需要尽可能多的信号,灵敏度高的原子核自然是首先原子核,但是,天然丰度也是一个重要影响因素。磷核相对灵敏度是碳核的4倍,但是,磷核天然丰度是100%,碳核天然丰度只有1.1%(也就是说大约98.9%的碳核都是没有磁性的同位素12C),所以,磷核的绝对灵敏度大约为碳核的400倍,见表05-02和05-03。

另外,虽然钾核相对灵敏度比碳核低31倍,但是钾核的天然丰度是93%,而碳核天然丰度只有1.1%,所以,相同浓度时,钾核的信号要比碳核信号强很多。

表05-03
活体磁共振波谱所涉及到原子核的NMR特性。


05-03-01  氢谱

在攻克技术难关之后,研究热点也转向不含磷核的代谢产物之后,活体氢谱的研究日益普遍。在所有原子核中,氢核的磁共振信号是最强的,而且任何生化物质都含有氢核。因此,氢谱成为监测代谢作用的好策略[⇒ Gadian; ⇒ Matson; ⇒ Miller]。

图05-06
正常人脑的氢谱。PCr:磷酸肌酸;PCho:磷酸胆碱;NAA:氮-乙酰天门冬氨酸。

然而,活体氢谱存在许多技术问题。最大的问题就是来自组织中水分子的超强氢核信号。按照组织中含有65%的水来进行保守推算,每升组织中含有36摩尔的水分子,而每一个水分子含有两氢原子,所以,每升组织中含有的氢核超过70摩尔。而每升组织中,我们想检测的代谢产物的浓度通常很低,即使按最高可达浓度10毫摩尔算,代谢产物的信号也比水分子的信号小7000多倍。因此,需要特殊的方法把水的信号强度降低到和代谢产物信号强度相近的级别。最简单的办法就是施加一个长时的频率选择预饱和脉冲。虽然在体外实验中这个方法非常有效,但是在活体中,长时间照射水峰可能会导致组织局部受热。

多脉冲序列,比如二项式脉冲序列,可以降低水分子的信号强度。如果水分子中的氢核不被激发,他们就不会产生信号。另外一个压制水信号的方法是利用T1弛豫时间曲线的特点而设计的。一个选择性180度脉冲用来翻转水分子磁化矢量。最初,信号会很强且是负信号,但是弛豫过程会使磁化矢量回到平衡态。经过水分子T1时间的0.69倍后,水分子的磁化矢量大约为零。在这个时刻,用一个90度激发脉冲,会使代谢产物产生相对较强的信号而水分子则产生相对较低的信号。如果用一个自旋回波脉冲序列和一个体积定位方法,可以在选择性反转脉冲作用之后,促使回波在合适的时刻形成,从而实现压制水信号的目的。活体氢谱的另外一个问题就是氢核化学位移范围太窄,信号都集中在一个很小的频率范围,因此有严重的信号重叠问题。升高场强可以解决这个问题,但是即使有超高场全身成像仪,大多数活体波谱还是在1.5T的仪器上完成的,而1.5T的仪器主要功用是成像,其次才是波谱。

临床上活体氢谱主要用于羊癫疯、颅内占位性病变、多发性硬化症、某些退化病(如老年痴呆症、帕金森病、亨延顿症、组织缺氧)和某些代谢疾病的研究。某些全身疾病,特别是肌肉系统的疾病,也可以用活体氢谱进行研究。

05-03-02  碳谱

与氢元素、磷元素不同的是,碳元素中具有磁性的同位素,13C的天然丰度很低。所有生化物质都含有碳核并且信号分布范围很宽。较宽的频率范围可以减少谱峰重叠的可能性。活体碳谱最大的缺点就是信号强度太弱,而且存在碳氢耦合。

在耦合谱上,许多信号被裂分成两个或者多个小信号峰,这使得谱很复杂而且降低了信噪比,但是去耦技术可以消除耦合效应。直接在氢核共振频率处辐射氢核是最简单的去耦方法,虽然这样做可能会导致活体组织局部受热。

使用去耦功率更低的组合脉冲技术可以发挥和直接辐射相同的作用。对碳谱去耦,仪器需要配备双通道,使得仪器制造工艺更复杂且费用昂贵。

活体碳谱的一个优势就是,我们可以进行碳核标记。将碳核标记过的化合物注入人体或动物体内,我们就可以跟踪所标记化合物的信号,从而获取该化合物在体内的代谢情况。因为分子中每一碳原子都有特征信号,碳核标记实验不仅可以跟踪标记分子的代谢情况,还可以指出参加代谢的碳原子的位置。在生化途径的研究中,一个分子转化成另外一个分子时,这种信息非常有价值。

活体碳谱标记实验的缺点是标记费用太昂贵。

氢核和磷核都不可能进行类似的标记,因为他们天然丰度已经是100%。碳谱可以检查糖类、脂质体、肝脏和肌肉中糖元的信号。碳谱可以为能量代谢中碳平衡提供信息,与磷谱所得到的信息相互补充[⇒ Matson; ⇒ Shulman]。

碳谱还有一个很有前景的用途是分析体内流体,如血液和尿液。在高场分析型波谱仪上,这类实验很常规。氢谱也被用于这类测试。

05-03-03  氟谱

氟核有较强的NMR信号且天然丰度为100%。氟谱用于含氟药物的代谢研究,人体本身不含氟,所以所有氟信号都来自药物及其代谢产物。尽管氟核信号很强,活体氟谱仍然需要组织中有较高的药物浓度(1-10mM),这个浓度远远高于大多数药物的浓度。同一磁场中氟核共振频率和氢核非常接近,所以可以用氢核通道进行氟谱测试,而不需要对仪器进行大改造[⇒ Matson; ⇒ Shulman]。

05-03-04  钠谱和钾谱

与上述自旋量子数为1/2的原子核不同,23Na和39K自旋量子数均为3/2,是四极核。23Na和39K都是天然丰度很高的同位素,23Na的天然丰度为 100%,39K的天然丰度为93.1%。

细胞外23Na浓度很高而细胞内39K浓度很高,两者对离子平衡起着至关重要的作用。不同的是,23Na有很强的磁共振信号,与31P相近,39K信号却很弱。

39K绝对灵敏度是13C的3倍,但是,39K的T2值很小导致39K信号远远宽于13C的信号。这是因为39K的四极核弛豫降低了信噪比。

39K的共振频率很低,增加了实验技术的难度。活体钾谱的实验是在4.7T的仪器上完成的,据我们所知,目前还没有在1.5T的仪器进行过与相关的实验。虽然23Na因为四极核效应信号很宽,但是23Na信号强度大,应该可以得到不错的谱图。

不幸的是,23Na和39K没有天然的化学位移差异,也就是说,活体样品中所有的信号都出现在同一个频率上。

M有一些方法可以把细胞内23Na和39K的信号和细胞外23Na和39K的信号分开。比如,使用化学弛豫试剂(颇像成像实验中用到的弛豫对比剂),但目前这类实验仅限于细胞和动物[⇒ Kohler; ⇒ Matson; ⇒ Rashid]。


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