2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核自旋極化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在核磁共振中，原子核的自旋量子數(shù)I決定了其具有（）。A.質(zhì)量數(shù)B.電荷C.磁矩大小D.拉莫爾進動頻率2.原子核的磁矩與外部磁場相互作用時，能級發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為（）。A.布拉頓效應(yīng)B.塞曼效應(yīng)C.核磁共振D.自旋交換3.核自旋極化度（P）的取值范圍是（）。A.0到1B.-1到1C.0到∞D(zhuǎn).-∞到∞4.利用激光誘導(dǎo)分子內(nèi)電子自旋與原子核自旋相互作用來產(chǎn)生核自旋極化的方法稱為（）。A.自旋交換弛豫B.核極化轉(zhuǎn)移C.光學(xué)極化D.動態(tài)核極化5.在核自旋極化技術(shù)中，通常使用“北極星”(NorthStar)來表示（）。A.極化產(chǎn)生的參考標(biāo)準(zhǔn)B.極化測量設(shè)備C.極化消失的過程D.極化信號的放大方式6.PolarizedWater(PO2k)技術(shù)主要利用了（）的核自旋極化特性。A.氫-1(1H)B.氮-14(14N)C.氧-17(17O)D.鋰-7(7Li)7.超極化氙氣(HyperpolarizedXenon-129,HPXe-129)在生物醫(yī)學(xué)成像中主要關(guān)注其（）特性。A.長的T1弛豫時間B.與氧分子的快速交換C.在肺部的高溶解度D.對腦部神經(jīng)活動的敏感性8.核自旋極化技術(shù)相比于傳統(tǒng)核磁共振技術(shù)，其主要優(yōu)勢之一是能夠提供（）信息。A.更高的空間分辨率B.更長的采集時間C.純粹的磁化矢量信息（自旋極化）D.更低的信號噪聲比9.在使用動態(tài)核極化(DNP)技術(shù)產(chǎn)生超極化核自旋時，通常需要（）。A.低溫環(huán)境B.高頻微波脈沖C.強磁場D.以上所有10.目前，核自旋極化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最成熟、臨床轉(zhuǎn)化最接近的是（）。A.超極化氦-3(Helium-3)肺部成像B.超極化氫氣(Helium-3,Helium-4)腦部成像C.PolarizedWater(PO2k)腫瘤成像D.自旋標(biāo)記EPR成像二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.原子核自旋的磁量子數(shù)m_s取值決定了其磁矩在外加磁場B0中的取向，其能量與B0的方向有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為________效應(yīng)。2.當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，核自旋系統(tǒng)遵循________分布函數(shù)，此時宏觀表現(xiàn)為沒有凈的宏觀磁化矢量。3.產(chǎn)生核自旋極化的方法之一是通過自旋交換弛豫過程，將高自旋態(tài)的水分子上的自旋極化轉(zhuǎn)移給低自旋態(tài)的水分子，這個過程通常需要一種順磁性物質(zhì)作為________。4.超極化氣體（如HPXe-129）的極化度遠(yuǎn)超熱平衡時的自然極化度，其極化度P通常用相對于“北極星”的________來表示。5.PolarizedWater(PO2k)技術(shù)通過檢測極化水分子在組織中的________來反映組織的氧合水平。6.核自旋極化技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像時，其信號對比度主要來源于不同組織對極化核自旋的________或自旋極化轉(zhuǎn)移速率的差異。7.光學(xué)極化方法產(chǎn)生的自旋極化度通常較低，且極化狀態(tài)不穩(wěn)定，主要應(yīng)用于________等短壽命體系的研究。8.動態(tài)核極化(DNP)技術(shù)利用微波脈沖在電子自旋系統(tǒng)與核自旋系統(tǒng)中實現(xiàn)偶極-偶極相互作用的有效轉(zhuǎn)移，從而顯著提高核自旋的________。9.超極化氙氣(HPXe-129)由于其獨特的化學(xué)性質(zhì)和自旋弛豫特性，在肺部成像中能夠提供關(guān)于________的信息。10.核自旋極化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如極化氣的產(chǎn)生效率、儲存壽命以及成像系統(tǒng)的________和成本等問題。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述核自旋極化與普通核磁共振信號產(chǎn)生的區(qū)別。2.簡述光學(xué)極化方法產(chǎn)生核自旋極化的基本原理。3.簡述PolarizedWater(PO2k)技術(shù)檢測腫瘤微環(huán)境缺氧狀態(tài)的原理。4.簡述超極化氙氣(HPXe-129)在肺部成像中相比氦氣（He）的優(yōu)勢。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述核自旋極化技術(shù)（以PO2k或HPNGs為例）相比傳統(tǒng)磁共振技術(shù)在研究生物醫(yī)學(xué)問題時的獨特優(yōu)勢。2.結(jié)合具體實例，論述核自旋極化技術(shù)在疾病診斷或生物學(xué)研究中的應(yīng)用前景。3.討論核自旋極化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.A6.A7.B8.C9.D10.C二、填空題1.塞曼2.玻爾茲曼3.交換媒介4.相對5.信號衰減速率6.弛豫7.磁共振8.極化度9.通氣/血流10.穩(wěn)定性和可及性三、簡答題1.解析思路：核自旋極化是指系統(tǒng)處于非熱平衡狀態(tài)，具有比熱平衡狀態(tài)更高的自旋極化度（P≠0）。普通核磁共振信號產(chǎn)生于處于熱平衡狀態(tài)（P=0）的核自旋系統(tǒng)在外加磁場中受激躍遷時，宏觀凈磁化矢量（Mz）的衰減。因此，核自旋極化產(chǎn)生信號的前提是系統(tǒng)存在凈的宏觀自旋極化矢量（Mz=P不為零），并且信號強度與極化度P成正比。普通NMR只關(guān)注Mz的衰減，而核自旋極化關(guān)注的是P的產(chǎn)生、維持以及利用P產(chǎn)生的增強信號。2.解析思路：光學(xué)極化利用激光與順磁物質(zhì)（如含未成對電子的分子）相互作用產(chǎn)生的自旋極化。通過共振選擇性激光照射，使順磁物質(zhì)基態(tài)和激發(fā)態(tài)的電子自旋數(shù)出現(xiàn)不平衡，產(chǎn)生電子自旋極化。這種極化通過自旋-自旋弛豫或交換作用傳遞給與之耦合的核自旋（如1H），使其也偏離熱平衡態(tài)，達到一定的核自旋極化度。其核心是利用光與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生電子極化，再通過自旋耦合轉(zhuǎn)移給核。3.解析思路：PO2k技術(shù)利用了極化水分子在生物組織中的信號衰減特性。正常組織由于血液灌注，極化水不斷被新鮮非極化水稀釋，信號快速衰減。而在腫瘤組織中，由于血管生成不良、血流緩慢以及可能存在的缺氧狀態(tài)，極化水分子滯留時間更長，信號衰減更慢。通過比較組織間的信號衰減速率差異，可以反映組織的微循環(huán)灌注狀態(tài)，進而間接評估缺氧情況。4.解析思路：HPXe-129的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）信號機制：其信號主要來源于化學(xué)交換飽和效應(yīng)（CEST），對組織中的水分子交換敏感，可以提供與組織含水量、血流灌注、代謝等相關(guān)的信息，而氦氣信號主要反映通氣。2）安全性：氙氣是惰性氣體，HPXe-129在體外的溶解度極低，生物毒性小，可重復(fù)暴露。3）成像能力：HPXe-129在肺部成像中可以提供關(guān)于通氣/血流匹配的信息，有助于診斷肺氣腫、肺纖維化等疾病。雖然氦氣在氣體擴散成像方面有優(yōu)勢，但氙氣在組織對比成像和安全性方面更優(yōu)。四、論述題1.解析思路：核自旋極化技術(shù)的優(yōu)勢在于其信號源是“非熱平衡”的，即P≠0。這帶來了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：首先，信號強度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱平衡NMR，提高了信噪比。其次，信號強度與極化度P成正比，使得信號對微小的生理變化（如PO2k中的氧濃度變化、HPNGs中的血流變化）更加敏感，能夠提供傳統(tǒng)NMR難以捕捉的細(xì)微對比度。最后，利用不同的極化核（如1H,17O,129Xe）及其交換或弛豫特性，可以提供多維度、多參數(shù)的組織信息，實現(xiàn)對傳統(tǒng)MRI功能信息的補充或替代。例如，PO2k提供氧合信息，HPNGs提供通氣或血流信息。2.解析思路：PO2k在腫瘤成像中可實時反映腫瘤微環(huán)境的氧合狀態(tài)，幫助判斷腫瘤的惡性程度、治療反應(yīng)和預(yù)后。在神經(jīng)科學(xué)中，HPNGs成像可用于研究大腦的血流灌注、氣體交換和神經(jīng)活動。在心血管領(lǐng)域，可用于評估心肌缺血/再灌注損傷。在肺病學(xué)中，HPXe-129可用于無創(chuàng)檢測肺氣腫、肺纖維化等疾病。此外，自旋標(biāo)記EPR成像可用于追蹤特定分子在體內(nèi)的動力學(xué)過程和分布。這些應(yīng)用展示了核自旋極化技術(shù)在提供組織功能信息、實現(xiàn)早期診斷、監(jiān)測疾病進展以及研究基礎(chǔ)生物學(xué)過程方面的巨大潛力。3.解析思路：主要挑戰(zhàn)包括：1）極化氣產(chǎn)生效率與穩(wěn)定性：目前超極化氣體的產(chǎn)生效率（Y）普遍較低，且極化態(tài)不穩(wěn)定，需要在低溫下儲存和快速使用。2）成像系統(tǒng)復(fù)雜性與成本：極化氣體成像系統(tǒng)需要特殊的設(shè)計（如快速充退系統(tǒng)、極化傳遞單元），設(shè)備復(fù)雜且昂