1、哲学与自然科学讲座周周 建建 威威研究员（Ph.D)贵州师范大学科学与技术关系科学与技术关系以核磁共振技术发展为例以核磁共振技术发展为例第1页一、一、科学与技术关系科学与技术关系信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院本章结束本章结束本章开始本章开始上一节上一节下一节下一节A HISTORY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY科技史概论科技史概论1.什么是科学什么是科学2.什么是技术什么是技术3.科学与技术关系科学与技术关系第2页信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院本章结束本章结束本章开始本章开始上一节上一节下一节下一节A H
2、ISTORY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY科技史概论科技史概论1.什么是科学什么是科学科学三种定义：科学三种定义：1、科学是系统化了自然知识、科学是系统化了自然知识 （理论自然科学史）（理论自然科学史）2、科学是生产力、科学是生产力 （技术史）（技术史）3、科学是一个社会活动、科学是一个社会活动 （科学社会史）（科学社会史）第3页科学-在人类历史上是非常晚近东西1.Scientist英文单词是在英文单词是在1833年英国科学促进年英国科学促进会上由威廉会上由威廉休厄尔提议仿照休厄尔提议仿照Artist创造。创造。2.之前科学家称为之前科学家称为“哲学家哲学家”比如:牛顿自
3、然哲学数学原理道尔顿化学哲学新系统博士学位PhilosophiaeDoctor;Ph.D第4页科学两个起源好奇心，把握一个整体世界观要求。-科学史上哲学家传统改造自然技艺和能力-科学史上工匠传统第5页信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院本章结束本章结束本章开始本章开始上一节上一节下一节下一节A HISTORY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY科技史概论科技史概论 第6页信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院信息电子工程学院本章结束本章结束本章开始本章开始上一节上一节下一节下一节A HISTORY OF SCIENCE AND TECHNO
4、LOGY科技史概论科技史概论 科学与技术关系科学与技术关系 历史上，科学往往是被技术进步推进。荷兰眼镜制造商汉斯.利柏希1608年创造望远镜直接推进了天文学发展。使伽利略发觉了太阳黑子，发觉月球上山脉，以及木星卫星等。显微镜是荷兰商人列文虎克创造，他发觉了细菌，原生动物，红血球，毛细血管等，直接产生近代生理学。第7页第8页第9页主 题l科学研究进步使人们更深入了解世科学研究进步使人们更深入了解世界，进而发展出技术，从而利用自界，进而发展出技术，从而利用自然、改造自然。然、改造自然。l技术发展和进步，又推进科学研究技术发展和进步，又推进科学研究深入深入，再产生更高级技术，然深入深入，再产生更高级
5、技术，然后是更深入研究。如此循环不已。后是更深入研究。如此循环不已。第10页以核磁共振技术发展与科学研究发展关系为例科学研究科学研究l量子力学理论研究预告了波尔原子核模型应该有四个量子数：主量子数n角量子数L磁量子数ms自旋量子数Il假如量子理论正确，自旋量子数I就应该能够在磁场中处于不一样能级状态，产生能级裂分（塞曼分裂）。第11页科学研究l能级分裂后，原子核能够吸收电磁波能量而产生能级跃迁。l换句话说，量子力学预告了磁场中原子核会产生吸收电磁波试验现象（核磁共振现象）。l为证实量子力学正确是否，世界各地物理试验室开始了搜寻核磁共振现象试验。第12页核磁共振在波谱分析中定位穆斯堡尔谱X-光分
6、析仪电子探针电子能谱俄歇电子能谱紫外光谱可见光谱荧光光谱快速荧光光谱红外光谱拉曼光谱微波转动谱电子自旋共振谱核磁共振谱无线电波m-km厘米波毫米波11000pm750nm750-400nm10-100keV（核能级）（核外电子能级）（分子轨道能级）（分子振动能级）（分子转动能级）（电子自旋）（核自旋）（皮秒，飞秒）-射线x-射线紫外线可见光红外线第13页 1945年，斯坦福大学博士硕士年，斯坦福大学博士硕士Bloch,发觉了水中氢发觉了水中氢NMR吸收信号，从此开始了一门新学科吸收信号，从此开始了一门新学科“核磁共振波谱学核磁共振波谱学”第14页第15页第16页物理学家证实了量子力学理论后，化
7、学家发觉了NMR波谱中精细结构（吸收峰位置与核化学环境相关，称为“化学位移”），能够完美表征分子结构。巨大市场需求，推进了NMR谱仪商品化研究。第17页更加好仪器需要更高磁场，推进了低温超导磁场和计算机软件研究。当代NMR谱仪诞生了。技术发展技术发展第18页科学研究l生物学家发觉当代核磁共振方法能够研究蛋白质大分子结构，由此推进了生命科学快速发展。第19页技术发展与科学研究l计算机技术发展，使计算机技术发展，使NMR信号在样品空间（信号在样品空间（X，Y，Z）能够准确定位，最终）能够准确定位，最终由软件合成图象，医生能够不开刀观察人体内部器官。由软件合成图象，医生能够不开刀观察人体内部器官。l
8、核磁共振成象技术诞生，医学科学研究从此有了一个强有力工具。核磁共振成象技术诞生，医学科学研究从此有了一个强有力工具。第20页核磁共振波谱学介绍第21页当代科学技术发展，完全建立在电子技术和计算机技术基础上。第22页核核 磁磁 共共 振振 谱谱 仪（硬件）仪（硬件）大型计算机及输出设备，各种专用解谱软件高速计算机接口高质量线性放大器非常稳定频率源（频率综合器）低噪声前置放大器高灵敏探头超导强磁场稳定锁场反馈系统匀场系统大功率脉冲放大器第23页核磁共振谱仪操作平台第24页VarianInfinityplus核磁谱仪控制计算机柜第25页六六百百兆兆超超导导磁磁体体探头从下面中心放入，样品管从上面用气
9、流托住，下降进入探头中。第26页超导磁体剖图超导磁体剖图外壳内是真空保温夹层，可储存液氮(97K)，液氮中浸泡容器储存液氦(4K)，超导体线圈浸泡在液氦中，样品置放在线圈中心（磁场最强）。第27页超导铜包铌钛合金线圈19km中空导筒）superconductingmagnetwireismadeofacopper-cladniobium-titaniumalloy.containsappro-ximately19kmofsuperconduc-tingwire.第28页Varian600兆（=54mm）液体探头，样品管（=5mm）放在上端内。第29页NMR探头普通有两种直径，54mm和89mm
10、.第30页探头内部结构第31页控制软件Spinsight界面，FID信号第32页核磁共振波谱应用l液体谱l固体谱l医学成象l微成象l动态核极化l低场谱仪l石油勘探l量子计算机第33页核磁共振波谱应用(一)（一）液体谱l测定化学分子结构（一维谱，二维谱）l化学动力学研究（扩散现象研究）l量子磁化矢量在射频脉冲作用下演化l蛋白质结构测定l量子计算机研究第34页一维谱编辑技术可区分CH,CH2,CH3这在研究煤及石油固体样品时尤其有用第36页碳-氢相关二维谱图F1是H-化学位移，F2是C-化学位移第37页大分子蛋白质NMR二维谱，唯一能够确定分子在溶液中三维立体结构分析方法第38页核磁共振波谱应用(
11、二)（二）固体谱l核磁共振中固体与液体样品最大不一样是固体中有强烈偶极偶极相互作用和化学位移各向异性。而液体中分子自由快速运动使偶极-偶极相互作用平均为零，所以化学位移各向同性。l消除异核之间偶极偶极相互作用，能够用大功率去偶方法。l消除固体化学位移各向异性相互作用，能够用魔角旋转方法。第39页MAS探头定子高压气体驱动转子旋转第40页固体探头所需要旋转速度和温度调整装置第41页各种MAS探头第42页固体探头外貌第43页铅笔式转子：中空，内放样品样品位置第44页Varian企业铅笔式转子，工作转速为10-20kHz，最高转速可达35kHz（每秒钟3万5千转）。第45页转子工作曲线转速为1万3千
12、转/秒第46页 固体核磁应用l各种固体材料测定（与液体谱全部功效相同）l固相中各种化学反应监测l量子理论各种直接验证l发展各种技术可用在成象原理上l微量样品测定要用MAS技术第47页核磁共振波谱应用（三）成象l医学成象l动物研究成象l微成象MagneticResonanceImaging,MRI第48页核磁成象原理l外加一梯度场，使磁场中仅有空间某一体积单元有适合磁场强度产生信号。其余信号均被梯度场发散抑制。l由计算机控制逐点改变梯度场强，能够取得整个空间各定域谱强度与空间位置关系。l计算机重新计算成象（重造）l这就是最简单点成象原理，成象质量不错，就是成象速度较慢。另外还有其它线成象，面成象
13、，快速成象。等方法。第49页每空间单元，都有一对应信号（强度和相位），计算机据此可复原出一个空间立体象，并可在任意剖面重新形成各种剖面象。MRI成象成象示意示意图图第50页高磁场成象研究高磁场成象研究l高场可能对人体有危害，但高场能够得到高分辨率。只能对动物进行高场研究。l对动物还可任意改变其它成象条件，以研究成象原理，发展成象技术。第51页核磁共振成象仪（动物试验）第52页BrukerBiospec47/40V核磁成象仪（动物试验）第53页Oxford生产各种超导成象磁体第54页鼠笼式成象线圈第55页鼠笼式线圈射频场分布第56页鱼头不一样横断面成象第57页Tumor Growth Analy
14、sis Mouse Body，Respiration triggered125 mm,1 mm slice，FOV 3.2 cm，(256)2 Matrix，2 Averages，TE=15 ms，TR=5 s。Ttot=5 min 控制呼吸周期成象第58页小鼠心脏成象第59页TheMonkeysResponsetoFacePresentations猴子脑功效成象第60页ThisisthefMRIsignalintensitychanges,againstanfMRIstatistical-scoremap.20intensitychangescanbeobserved.BioSpec 47/
15、40V第61页磁共振波谱技术应用医学成象第62页医学核磁共振成象l自从核磁共振成象实现以后，因为对人体没有任何伤害而快速地应用在人体医学上。l即使没有发觉任何证据证实强磁场对人体伤害，但为安全起见，人体NMR成象仪仍工作在较低场强下，普通1.5T,少数为4.7T。l现在医学MRI已经发展成为专门分支学科。第63页Bruker企业生产医用核磁共振仪Whole-body第64页不一样厂商生产人体成象仪各有千秋第65页用于人体成象线圈第66页四肢腰部胸部身体躯干头部各种人体成象线圈第67页人体头部核磁共振成象第68页人体颈部血管造影核磁共振成象，形成血管发亮原因是在血管中加入了弛豫剂，使NMR信号增
16、强，另首先因为血液流动，使信号不易饱和。第69页头部血管成象，其它部位信号压制第70页人体腰部脊椎成象，亮处为含氢组织。第71页关节成象第72页Human Brain Neuro Imaging at 8 TeslaACQMatrix2kx2k；FOV20cmx20cm；TR750ms;TE17ms；FlipAngle45?/td；ScanTime26min;GradientEcho.；Imageresolution:0.1mmx0.1mmx2mm人体大脑神经成象第73页fMRI脑功效成象第74页MRI-CT 与 X-ray CTlMRI对人体无伤害l对软组织分辨度高，尤其能分辨肿瘤组织l有各
17、种成象方法（T1,T2,化学位移，密度，流动增强，。）l成象速度较慢l设备昂贵，技术复杂X-rayCT对人体有伤害对骨骼分辨高，软组织分辨低吸收强度成象成象速度快设备比较廉价。第75页核磁共振成像大脑研究应用1.测谎新方法测谎新方法2.记忆学习记忆学习3.生理反应生理反应4.运动控制运动控制5.感官识别感官识别6.思维过程思维过程7.存在与意识存在与意识第76页NMR 赌 瘾 研 究美国（时代周刊年8月1日一期文章l赌博带来兴奋感像任何毒品一样令人着迷。一千年来，人们把赌博看成是道德问题，一直到最近才把它看成一个疾病来对待。l科学家希望了解赌博危害能不能受到限制。嗜赌成性人与偶然为之者有什么分
18、别？人格、大脑中化学过程以及环境对赌博者有什么影响？在没有化学物质推进情况下，一个行为能让人上瘾吗？第77页NMR 赌 瘾 研 究l在没有化学物质推进情况下，一个行为能让人上瘾吗？l研究人员对赌博研究怀有特殊兴趣是因为它能揭示“瘾”到底是怎么回事。了解毒品和酒精上瘾困难在于一旦摄人化学制剂，你大脑活动就受到了干扰。l不过赌博却是一个纯粹上瘾方式.第78页NMR 赌 瘾 研 究l科学家利用功效核磁共振成像技术观察赌博者赌博时大脑情况。l年在哈佛医学院，研究人员对正在参加轮盘赌试验对象进行了监视。主要观察试验对象大脑中处理多巴胺几个区域。多巴胺是一个服用毒品和酒精过程中人体内释放能引发愉悦感觉化学
19、物质。必定是，试验对象在赌博时候，他们大脑中同多巴胺相关区域兴奋了起来。不但他们赢时候，而且他们只是有希望会赢时候，他们大脑中这些区域就会活跃起来。l这同吸毒者和酗酒者表现出来期望和满足模式完全一样。第79页NMR 赌 瘾 研 究l这项研究工作意外得到了证据支持。最近明尼苏达州一个诊所研究人员发觉，11位患有帕金森病病人在接收能提升多巴胺水平药品治疗后开始变得嗜赌。11人中有6人还开始变得嗜食、酗酒、乱花钱,生活无度。l降低病人多巴胺水平后，恢复正常。第80页人行为和意识问题l存在与意识是哲学研究中永恒主题。l“存在决定意识”还是“意识决定存在”，是区分唯物主义认识论或唯心主义认识论分水岭。l
20、不过l意识本身是什么？意识本身是什么？l意识是怎样形成？意识是怎样形成？l意识能否独立存在意识能否独立存在？l行为和意识谁为主导？行为和意识谁为主导？l核磁共振成象技术必将极大地推进哲学上对人认识过程认识。第81页世界对核磁共振波谱学认可l历史上，已经有三次NobelPrize授予对核磁共振波谱学做出出色贡献科学家。l1952年诺贝尔物理学奖，Blochl1991年诺贝尔生化学奖，Ernstl年诺贝尔生物或医学奖lLauterbur&Mansfield第82页轻松一下逛逛NMR试验室吧第83页自我介绍l周建威，中科院化学所物理化学博士（1987）。专攻磁共振波谱学。l曾任中科院武汉物理所研究员，博士生导师,波谱与原子分子物理国家重点试验室核磁共振室副主任，科研处长。l96年曾在美国科罗拉多州立大学化学系博士后,后在日本大阪大学、美国犹它大学，康涅狄格大学，华盛顿特区霍华德大学等地留学做研究。l年因贵州省引进人才回国。现任贵州师范大学教授，科研处长。第84页第85页第86页第87页叶叶朝朝辉中国科学院院士，武汉物理与数学所研究员，现任中国科学院武汉分院院长。第88页第89页第90页谢谢大家！第91页
