王 寧，蔣鳳英，金貽榮，李 紹，鄧 輝，田 野，任育峰，鄭東寧

(中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京100190)

1 前言

超導(dǎo)量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device，簡(jiǎn)稱SQUID)是目前所知最為靈敏的磁通探測(cè)元件。利用約瑟夫森結(jié)(Josephson Junction)中的超導(dǎo)宏觀量子干涉效應(yīng)，SQUID可以獲得接近量子極限的噪聲水平[1]。作為磁通探測(cè)器，通過(guò)各種轉(zhuǎn)換也可以作為其他微弱物理量，包括磁場(chǎng)、磁場(chǎng)梯度、電流、電壓、電阻、電感、磁化率等的探測(cè)器，因此可應(yīng)用于范圍極廣的前沿領(lǐng)域[2]。在生物及醫(yī)學(xué)方面，SQUID可用于探測(cè)人體心臟和大腦電波產(chǎn)生的磁信號(hào)，進(jìn)而構(gòu)造心磁/腦磁[3-6]功能圖像以供臨床醫(yī)學(xué)診斷。SQUID還可作為低場(chǎng)核磁共振/成像技術(shù)[7-10]、腫瘤、免疫抗體[11]等的探測(cè)單元，其具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將在下文中討論。在材料的非破壞檢測(cè)方面，SQUID已被應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)探傷[12]、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片探傷等[13-14]。在地球物理方面，SQUID可用于地磁場(chǎng)檢測(cè)、深層探礦、地震研究等方面[2]。此外，將SQUID集成到掃描探針系統(tǒng)可構(gòu)建掃描磁通顯微鏡用于材料和機(jī)理研究[15]?？傊?，其應(yīng)用范圍廣，是一種非常具有前瞻性的超精密超導(dǎo)電子器件。

1.1 SQUID 簡(jiǎn)介

實(shí)用SQUID根據(jù)其工作原理主要可分為兩類(lèi):dc-SQUID和rf-SQUID。dc-SQUID由兩個(gè)對(duì)稱的Josephson結(jié)和一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路構(gòu)成(圖1a)，rf-SQUID則由單個(gè)Josephson結(jié)和超導(dǎo)環(huán)路構(gòu)成(圖1b)。dc-SQUID在噪聲表現(xiàn)上往往優(yōu)于rf-SQUID，在應(yīng)用方面被采用的較多，文中所討論的實(shí)驗(yàn)中所采用的即為高溫超導(dǎo)dc-SQUID。因此，在這里簡(jiǎn)要介紹一下dc-SQUID工作原理。

圖 1 dc-SQUID(a)和 rf-SQUID(b)示意圖[2]Fig.1 Schematic of dc-SQUID(a)and rf-SQUID(b)[2]

一般來(lái)說(shuō)，典型的隧道結(jié)I-V特性曲線具有多值性，在SQUID應(yīng)用中，需要通過(guò)一個(gè)并聯(lián)電阻R來(lái)增大相位阻尼，即要求:

這里βc為Stewart-McCumber參量，ωJ為Josephson振蕩頻率。在這種“過(guò)阻尼”狀態(tài)下，Josephson結(jié)I-V特性曲線變?yōu)閱沃?，根?jù)RSJ模型，其I-V特性接近于雙曲線型:

存在外磁通的情況下，dc-SQUID回路中兩個(gè)結(jié)的動(dòng)力學(xué)方程可以寫(xiě)為:

這里J為環(huán)路上的凈環(huán)流，L為環(huán)路電感，βL稱之為屏蔽參數(shù)，表征環(huán)流對(duì)外界磁通的屏蔽作用。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，這里忽略了結(jié)參數(shù)的不對(duì)稱性以及外界漲落的影響。為了方便得到其穩(wěn)態(tài)解)，進(jìn)一步可先忽略環(huán)流屏蔽效應(yīng)，即令βL=0:

式(5)和式(6)可求解出穩(wěn)態(tài)下電流與外場(chǎng)關(guān)系I=I(Φa/Φ0，φ1)，并得到等效的臨界電流為:

由此可見(jiàn)，dc-SQUID可看作是一個(gè)臨界電流Ic受外場(chǎng)調(diào)制的單個(gè)Josephson結(jié)，其調(diào)制關(guān)系見(jiàn)圖2，反應(yīng)在I-V特性上則如圖3a所示，隨外場(chǎng)變化，I-V曲線將在上曲線之間來(lái)回變化。如果選定一個(gè)偏置電流Ib，這一變化將轉(zhuǎn)變?yōu)镾QUID兩端電壓隨外場(chǎng)的調(diào)制關(guān)系，如圖3b所示。這一關(guān)系構(gòu)成了dc-SQUID放大器的基礎(chǔ)，由于調(diào)制是以一個(gè)量子磁通為周期，因此具有極高的磁通分辨率。

圖2 dc-SQUID臨界電流隨外磁通調(diào)制關(guān)系，隨著屏蔽參數(shù)的逐漸增大，調(diào)制深度逐漸減小(虛線所示)[2]Fig.2 Critical current of dc-SQUID vs.applied flux for 3 values of the screening parameter βL.Modulation depth decreased when βLincreased[2]

圖3 受磁通調(diào)制的dc-SQUIDI-V曲線(a)及在恒定偏流下的 V- φa曲線(b)[2]Fig.3 I-V characteristics modulated by external flux(a)and Output volt.vs.flux under fixed offset current(b)[2]

不過(guò)上述V-φa關(guān)系并非線性的，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法構(gòu)成動(dòng)態(tài)范圍較大的放大器，需要采用一定的電路來(lái)將這一關(guān)系線性化。目前最常用的電路為磁通鎖定環(huán)(Flux Locked Loop)，它使用磁通負(fù)反饋技術(shù)使SQUID的輸出電壓與通過(guò)SQUID環(huán)的磁通變化成線性關(guān)系，如圖4所示。在SQUID旁邊設(shè)置一個(gè)調(diào)制線圈，并通過(guò)振蕩器(頻率fm)給SQUID環(huán)孔施加一個(gè)調(diào)制磁通。SQUID兩端電壓耦合到前置放大器之后通過(guò)相敏檢波，調(diào)制頻率同時(shí)作為相敏檢波的參考頻率。檢波過(guò)后的信號(hào)積分之后再通過(guò)反饋電阻反饋到調(diào)制線圈上。當(dāng)存在外加磁通φa時(shí)，反饋回路正好通過(guò)調(diào)制線圈給SQUID施加-φa磁通，使得SQUID始終鎖定在“零磁通”狀態(tài)，而反饋電阻兩端的電壓則反映了外磁通的變化。這一磁通鎖定技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了V-φa線性化，將SQUID動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展到多個(gè)量子磁通，其代價(jià)則是犧牲一定的帶寬。

1.2 低場(chǎng)核磁共振/成像簡(jiǎn)介

圖4 dc-SQUID讀出電路原理圖:(a)讀出電路，(b)和(c)不同外加磁通下的調(diào)制電壓輸出，(d)鎖相后的輸出信號(hào)[2]Fig.4 A schematic of flux-locked loop readout circuit of dc-SQUID:(a)the readout circuit，(b，c)output voltage under modulation with different bias flux，and(d)readout signal after the lock-in detector[2]

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，簡(jiǎn)記為NMR)技術(shù)及核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，簡(jiǎn)記為MRI)技術(shù)目前已經(jīng)成為研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和組織成像最重要手段之一，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)NMR技術(shù)中采用法拉第電磁感應(yīng)方法獲得的NMR信號(hào)正比于磁場(chǎng)的平方，在過(guò)去的幾十年里，主流的NMR和MRI技術(shù)一般都是朝著越來(lái)越高的磁場(chǎng)方向發(fā)展——盡管磁場(chǎng)的增強(qiáng)會(huì)帶來(lái)更短的T1、更高的RF功率積累等后果。目前商用NMR ＆ MRI系統(tǒng)往往需要特斯拉(T)量級(jí)的磁場(chǎng)。而NMR的線寬和磁場(chǎng)的絕對(duì)不均勻度成正比，所以傳統(tǒng)的NMR需要很高的相對(duì)均勻度，導(dǎo)致了傳統(tǒng)NMR系統(tǒng)造價(jià)非常昂貴(1 T造價(jià)100萬(wàn)美元)。降低測(cè)量磁場(chǎng)可以有效的降低NMR系統(tǒng)的成本，但是需要以損失信噪比為代價(jià)。高場(chǎng)下核磁共振頻率很高(1T磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)42.576 MHz)，所以探測(cè)物質(zhì)中如果含有金屬會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生很大的干擾，甚至導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量;并且在高場(chǎng)情況下由于化學(xué)位移比較大而探測(cè)不到純的J-耦合譜。考慮到以上幾點(diǎn)因素，極低測(cè)量場(chǎng)(μT量級(jí))NMR可以有效的補(bǔ)充高場(chǎng)NMR的缺點(diǎn)。但是低場(chǎng)情況下其信號(hào)幅值非常小，其共振頻率很低，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)方法已經(jīng)不再適用。SQUID在測(cè)量極其微小的磁信號(hào)方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，它直接探測(cè)磁通而非磁場(chǎng)的變化量，因此信號(hào)強(qiáng)度正比于磁場(chǎng)而非磁場(chǎng)平方。此外，其頻響在幾個(gè)Hz到幾 MHz幾乎不變[16]，這使得低場(chǎng)(μT到 mT)NMR的測(cè)量成為了可能。低場(chǎng)NMR在以下幾個(gè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì):①對(duì)磁場(chǎng)不均勻度要求較低，使得磁場(chǎng)系統(tǒng)可以做得比較簡(jiǎn)單。并且由于磁場(chǎng)的絕對(duì)不均勻度比較小，使得共振線寬比較窄，可以用來(lái)測(cè)量共振峰的自然展寬。②純J-耦合譜的測(cè)量。J-耦合強(qiáng)度與測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，高場(chǎng)下由于共振線寬在kHz量級(jí)，所以看不到幾十Hz劈裂的J-耦合譜。而低場(chǎng)NMR譜線寬僅Hz量級(jí)，可以清晰分辨較弱的耦合結(jié)構(gòu)。此外，低場(chǎng)NMR化學(xué)位移完全可以忽略，使得觀察無(wú)化學(xué)位移的純J-耦合譜成為可能。③低場(chǎng)核磁共振的共振頻率比較低，所以它對(duì)金屬有較深的趨膚深度，可以用來(lái)探測(cè)金屬容器內(nèi)部的物質(zhì)的特性，這在傳統(tǒng)的高場(chǎng)NMR中是實(shí)現(xiàn)不了的。

當(dāng)然，低場(chǎng)NMR系統(tǒng)也有它自己的局限性，由于磁場(chǎng)較小，所以產(chǎn)生的信號(hào)非常小，除了用非常靈敏的SQUID作為探測(cè)器件以外，通常還用一個(gè)預(yù)極化場(chǎng)對(duì)核自旋系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)極化來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。

SQUID應(yīng)用于低場(chǎng)核磁共振在最近20年來(lái)發(fā)展很快，并逐步演化為一個(gè)非常特別的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)分支[17]。在前期工作中，大多數(shù)的樣品被置于液氦溫區(qū)(4.2 K)，但早在1972年 Day的實(shí)驗(yàn)就表明[18]了可以用 SQUIDNMR探測(cè)室溫下的樣品。最近的研究表明，現(xiàn)有的技術(shù)使得SQUID NMR可以測(cè)量很寬溫區(qū)范圍內(nèi)的樣品(從理論上講，4.2 K到室溫)。SQUID NMR另外一個(gè)比較有興趣的方向是低場(chǎng)磁共振成像，這是由Bergman在1981年首次提出來(lái)的[19]。隨后的實(shí)驗(yàn)表明目前的SQUID技術(shù)完全可以滿足對(duì)室溫樣品多通道的磁共振成像。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了有效避免外界磁擾動(dòng)對(duì)低場(chǎng)NMR譜和SQUID造成影響，低場(chǎng)NMR的線圈系統(tǒng)和SQUID探頭安置在磁屏蔽間中，而電源、脈沖序列發(fā)生器、信號(hào)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集、SQUID控制電路等電子系統(tǒng)則安置在屏蔽間外。實(shí)驗(yàn)采用的屏蔽間由厚度分別為1 mm，4 mm，10 mm的單層坡莫合金、單層銅和單層軟鐵所組成，內(nèi)部尺寸為 2.4 m ×2.4 m ×2.4 m，外部尺寸為 3 m ×3 m×3 m，在0.01 Hz頻率下屏蔽間的屏蔽因子約為12，在 100 Hz以上可以達(dá)到≥2 ×103[20]。

目前，建立低場(chǎng)NMR ＆ MRI實(shí)驗(yàn)裝置是在以前的直接耦合系統(tǒng)[10]基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。改進(jìn)中我們參考了臺(tái)灣H.C.Yang研究組[21]的實(shí)驗(yàn)方法，并針對(duì)我們的系統(tǒng)進(jìn)行了新的尺寸設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。改進(jìn)后的裝置如圖5所示[22]。系統(tǒng)的改進(jìn)主要包括3個(gè)方面:①NMR信號(hào)的耦合/拾取方式由原來(lái)的SQUID直接耦合改為由接收線圈(Pick-Up Coil)，輸入線圈(Input Coil)和電容組成的LCR回路來(lái)傳遞信號(hào)。而且SQUID與Input線圈被放置在一個(gè)多層坡莫合金的屏蔽桶內(nèi)，在無(wú)磁杜瓦中進(jìn)行冷卻，以防止外加磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行干擾。與以前采用SQUID直接耦合測(cè)量信號(hào)的方式比較起來(lái)優(yōu)勢(shì)在于增加了信號(hào)的耦合效率，而且減小了極化場(chǎng)對(duì)SQUID的干擾，降低了噪聲。②為了進(jìn)行二維和選層MRI實(shí)驗(yàn)，在原來(lái)Z方向梯度線圈基礎(chǔ)上加入了X、Y方向的梯度線圈，同時(shí)還增加了一對(duì)交流脈沖線圈用于對(duì)核磁矩進(jìn)行再聚焦。③為了獲得更高的譜信噪比，還重新繞制了一個(gè)更大的螺線管用于產(chǎn)生極化磁場(chǎng)。改進(jìn)后系統(tǒng)的信噪比有了顯著的提高，相同條件下提高約15倍左右。表1給出了屏蔽間中磁場(chǎng)系統(tǒng)所用線圈的類(lèi)型和詳細(xì)尺寸[23]。

圖5 線圈耦合低場(chǎng)NMR系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Low-field NMR ＆ MRI system with coil-coupled scheme

系統(tǒng)的時(shí)序控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)采集都是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制完成。計(jì)算機(jī)控制兩臺(tái)儀器:SQUID電路和多路觸發(fā)器(SRS DG645)，在信號(hào)產(chǎn)生并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候由計(jì)算機(jī)控制SQUID電路進(jìn)行reset的操作，另外計(jì)算機(jī)控制多路觸發(fā)器的多個(gè)通道輸出矩形脈沖，然后這些脈沖再去觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器(NF WF1974)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、MOS開(kāi)關(guān)和多個(gè)繼電器進(jìn)行工作。在信號(hào)傳遞回路中串聯(lián)有兩個(gè)繼電器，其目的是隔絕極化場(chǎng)開(kāi)關(guān)時(shí)耦合到pick-up線圈的信號(hào)對(duì)SQUID的干擾。在不進(jìn)行信號(hào)測(cè)量時(shí)斷開(kāi)回路，當(dāng)測(cè)量開(kāi)始時(shí)聯(lián)通。其它的繼電器和MOS開(kāi)關(guān)的作用都是控制加場(chǎng)和撤場(chǎng)時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 核磁共振譜及回波測(cè)量

獲得高信噪比的低場(chǎng)核磁共振譜，是進(jìn)行其他后續(xù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)試后，在改進(jìn)之后的線圈耦合系統(tǒng)上，我們獲得了信噪比較高且穩(wěn)定的水樣品1H質(zhì)子譜，如圖6所示為18 ml水樣品的單發(fā)及10次時(shí)域平均后的自由感應(yīng)衰減(Free Inductive Decay，簡(jiǎn)稱FID)信號(hào)，單發(fā)測(cè)量的信噪比達(dá)到～40，譜線線寬～2 Hz。

表1 各線圈詳細(xì)參數(shù)列表Table 1 Detailed parameters of all kinds of coils used in our system

圖6 測(cè)量的FID信號(hào):(a)單次測(cè)量時(shí)域信號(hào)，(b)單次測(cè)量的頻域信號(hào)，(c)平均10次的時(shí)域信號(hào)，(d)平均10次的頻域信號(hào)Fig.6 FID signal of 18 ml distill water:(a)single-shout measurement，(b)single-shot FID spectrum，(c)ten times averaged FID signal in time domain and(d)ten times averaged FID spectrum

進(jìn)一步我們嘗試獲得自旋回波信號(hào)。核自旋在外場(chǎng)下演化過(guò)程中，由于自旋-自旋相互作用及外界磁漲落的影響而逐漸散相，導(dǎo)致信號(hào)衰減直至淹沒(méi)于噪聲中。通過(guò)在垂直測(cè)量場(chǎng)方向施加一個(gè)“π脈沖”，可將核自旋相位φ操縱至(π-φ)，再經(jīng)過(guò)相同演化時(shí)間，所有核自旋將重新回到其初始相位(附加一個(gè)π)，實(shí)現(xiàn)“聚相”，這一過(guò)程被稱之為自旋回波(Spin Echo)。回波是NMR ＆ MRI技術(shù)的另一基本信號(hào)。我們通過(guò)一組Helmholtz線圈來(lái)施加π脈沖，信號(hào)源為NF WF1974任意波形發(fā)生器，脈沖間隔為20 ms。圖7顯示了時(shí)域的FID與自旋回波信號(hào)。

圖7 時(shí)域上的FID信號(hào)和自旋回波信號(hào)(分開(kāi)測(cè)量之后合成得到)Fig.7 FID signal and spin-echo signal in time domain(measured individually and merged together)

核磁共振譜本身是研究分子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要工具，利用J-耦合譜可以獲得很多關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的信息。J-耦合譜中包含3個(gè)重要信息:中心譜峰的劈裂數(shù)量，小峰高度及小峰相對(duì)中心峰的偏移量，據(jù)此可推知耦合中心近鄰原子數(shù)、非等價(jià)鍵位、二面角信息等。在上文中已提到低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在J-耦合譜測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)。這里我們選擇一種較為典型的有機(jī)分子:2，2，2-三氟乙醇，分子式為CF3CH2OH。三氟乙醇中的3個(gè)氟原子與3個(gè)氫原子之間存在異核自旋耦合，耦合模型為A3B2B’。其中，A代表氟原子，B代表與另外一個(gè)碳原子相連接的兩個(gè)氫原子，B’代表構(gòu)成羥基(-OH)的氫原子。其J-耦合譜測(cè)量結(jié)果如圖8所示。譜中1H和19F譜帶的所有小峰均可清晰分辨，小峰高度及位置與高場(chǎng)核磁共振結(jié)果符合很好。

圖8 2，2，2-三氟乙醇J-耦合譜測(cè)量結(jié)果，左邊一組為19F譜帶，右邊為1H譜帶Fig.8 Measurement result of 2，2，2-trifluoroethanol’s J-coupling spectrum.Left side band is19F band and right side is1H band

3.2 二維MRI實(shí)驗(yàn)

MRI是核磁共振技術(shù)的最重要應(yīng)用之一。我們分別嘗試了水樣品和生物樣品的二維MRI，在這之前，為了驗(yàn)證梯度編碼的線性度，首先進(jìn)行了一維MRI實(shí)驗(yàn)，圖9a為雙水柱樣品在不同梯度下的NMR譜，圖9b則為頻譜兩峰分離間隔與梯度強(qiáng)度的關(guān)系?？梢钥吹剑隨Gz的變化成很好的線性關(guān)系，表明我們的系統(tǒng)在成像實(shí)驗(yàn)上滿足線性梯度效應(yīng)，這為二維成像實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了支持。

圖9 一維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(a)在不同梯度場(chǎng)大小時(shí)代表兩個(gè)水柱樣品的峰的距離和峰的寬度變寬，(b)樣品兩個(gè)峰的展寬與所加梯度場(chǎng)大小呈線性關(guān)系Fig.9 1D-imaging results:(a)spectrum of a 2 column water phantom varying with gradient strength and(b)peak splitting width vs.gradient strength，clear linear relationship was shown

在上述一維MRI實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步開(kāi)展二維MRI實(shí)驗(yàn)。由于背投影成像方法在算法上較為簡(jiǎn)單，我們首先選擇它來(lái)實(shí)現(xiàn)二維成像。為此，我們需要獲得等角度間隔的不同投影方向的一維成像譜，然后將這些譜做背投影疊加[15]:

這里ρ(x，y)表示核磁矩密度，P(ri，φi)表示在φi方向上的投影，Δφ為投影角度間隔。背投二維成像的脈沖序列與一維成像基本相同，不同之處在于二維成像需要同時(shí)施加兩個(gè)方向的梯度Gy，Gz，通過(guò)調(diào)節(jié)二者的強(qiáng)度來(lái)形成不同的投影方向:

我們選擇在半圓周上做12個(gè)投影方向，即投影角度間隔Δφ=π/12，分別嘗試了3種不同的水樣品分布情況，并成功獲得了對(duì)應(yīng)的背投影成像，如圖10所示。

圖10 二維背投成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果，樣品位置示意圖和背投圖像對(duì)比Fig.10 2D back projection reconstruction images(lower side)of different water phantoms sketched in the upper side

可以看出圖像與原水柱分布符合的較好，但是邊緣比較模糊。在四水柱情況下，圖像上水柱之間并沒(méi)有完全分開(kāi)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因首先與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的空間分辨率有關(guān)，其次與譜的噪聲有關(guān)，在本不應(yīng)有信號(hào)的地方仍有噪聲信號(hào)出現(xiàn)，疊加之后構(gòu)成一定的亮度。最后，直接背投影方法本身無(wú)法獲得清晰的像，在投影過(guò)程中，物體外面的區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)投影強(qiáng)度不為零的結(jié)果。盡管如此，作為一個(gè)探索性的實(shí)驗(yàn)，背投影成像還是有意義的。它的實(shí)現(xiàn)表明基于SQUID的低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)在成像方面是有潛力的。目前還有很大的改善余地，例如，針對(duì)背投影成像方法，還可以引入濾波函數(shù)來(lái)避免樣品外區(qū)域出現(xiàn)投影強(qiáng)度不為零的情況，提高圖像的邊緣分辨率;增加投影方向的數(shù)量也能夠提高圖像的分辨率。這些改進(jìn)將在以后的工作中逐步開(kāi)展。在成功獲得水樣品的二維背投影成像結(jié)果之后，我們還嘗試了對(duì)生物樣品，包括青椒、芹菜等進(jìn)行成像，結(jié)果如圖11，圖像與實(shí)物也符合的較好。

圖11 利用背投成像對(duì)芹菜和青椒進(jìn)行成像，實(shí)物與圖像對(duì)比Fig.11 2D back-projection results of celery(a)and green pepper(b)，on upper side is real photos as reference

3.3 磁性納米粒子在核磁共振成像中的應(yīng)用

磁性納米粒子可以在核自旋附近形成一個(gè)局部磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致核自旋縱向弛豫時(shí)間(T1)和橫向弛豫時(shí)間(T2)發(fā)生變化。利用這一原理，可將磁性納米粒子作為T(mén)1/T2加權(quán)成像的對(duì)比增強(qiáng)劑。為此，我們首先測(cè)量了不同濃度磁性納米粒子對(duì)1H質(zhì)子T1的影響，所采用的磁性納米粒子為中科院化學(xué)所高明遠(yuǎn)研究組提供的8 nm粒徑Fe3O4超順磁納米粒子[24]，其結(jié)果如圖12所示。

根據(jù)T1隨磁性納米粒子變化關(guān)系，可以選擇合適的極化時(shí)間來(lái)進(jìn)行T1加權(quán)對(duì)比度增強(qiáng)成像實(shí)驗(yàn)。圖13為有無(wú)磁性納米粒子的雙水柱樣品T1加權(quán)成像結(jié)果。

圖12 (a)不同磁性納米粒子濃度的水樣品FID信號(hào)隨極化時(shí)間的變化關(guān)系，(b)擬合得到的T1隨磁性納米粒子濃度變化關(guān)系Fig.12 (a)FID signal of water with different concentration Fe3O4nanoparticles vs.pre-polarization time and(b)fitted T1varying with nanoparticle concentration

圖13 T1加權(quán)二維MRI演示實(shí)驗(yàn)。上半圖中右邊亮斑對(duì)應(yīng)添加了2 μg/ml Fe3O4磁性納米粒子的水柱，左邊亮斑則為純水。下半圖為對(duì)應(yīng)的中心截面上的一維譜Fig.13 A demonstration of T1contrast enhanced 2D MRI.The sample was a water phantom with right handcolumn added 2 μmg/ml Fe3O4nanoparticles in upper side figures.Lower side figures correspond to the central cross section of the images

4 結(jié)論

SQUID利用超導(dǎo)結(jié)中的宏觀量子干涉效應(yīng)，是一種靈敏度極高的磁通探測(cè)器件，非常適合作為低場(chǎng)NMR信號(hào)的探測(cè)單元。我們較為系統(tǒng)地進(jìn)行了基于高溫超導(dǎo)dc-SQUID的核磁共振譜及成像技術(shù)的研究，包括系統(tǒng)搭建、1H質(zhì)子譜及J-耦合譜測(cè)量、一維及二維成像、磁性納米粒子輔助T1加權(quán)成像等。通過(guò)結(jié)合線圈耦合方式，較大地提高了NMR譜的信噪比，18 ml水樣品的FID譜單發(fā)信噪比可達(dá)～40，同時(shí)也得到了很好的自旋回波信號(hào)。三氟乙醇的J-耦合譜也做了相應(yīng)測(cè)量，得到了與高場(chǎng)結(jié)果相符的耦合譜。通過(guò)直接背投影法，成功的獲得了水樣品和生物樣品的二維像。采用8 nm粒徑的Fe3O4磁性納米粒子作為對(duì)比增強(qiáng)劑，進(jìn)行了T1加權(quán)成像實(shí)驗(yàn)，顯示了較顯著的對(duì)比度變化。上述實(shí)驗(yàn)作為低場(chǎng)NMR ＆ MRI技術(shù)的一些應(yīng)用實(shí)例，顯示了該技術(shù)在醫(yī)療及分子結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用前景。

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