核磁共振
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核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance即NMR）是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，即磁共振成像。
并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因為具有核自旋。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當核磁矩處于靜止外磁場中時產(chǎn)生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。
核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應用于物理、化學生物等領(lǐng)域，到1973年才將它用于醫(yī)學臨床檢測。
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技術(shù)發(fā)展
1930年代，物理學家伊西多.拉比發(fā)現(xiàn)在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。
1946年兩位美國科學家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對核磁共振現(xiàn)象的認識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學獎。
人們在發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實際用途，化學家利用分子結(jié)構(gòu)對氫原子周圍磁場產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強，進入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測定成為可能。
1946年，美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫宣布，他們發(fā)現(xiàn)了核磁共振NMR。兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎。核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場（處在無線電波波段）同時作用下，當滿足一定條件時，會產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象。核磁共振很快成為一種探索、研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的高新技術(shù)。目前，核磁共振已在物理、化學、材料科學、生命科學和醫(yī)學等領(lǐng)域中得到了廣泛應用。
原子核由質(zhì)子和中子組成，它們均存在固有磁矩?？赏ㄋ椎睦斫鉃樗鼈冊诖艌鲋械男袨榫拖褚桓?a href="/w/%E7%A3%81%E9%92%88" title="磁針">磁針。原子核在外加磁場作用下，核磁矩與磁場相互作用導致能級分裂，能級差與外加磁場強度成正比。如果再同時加一個與能級間隔相應的交變電磁場，就可以引起原子核的能級躍遷，產(chǎn)生核磁共振?？梢?，它的基本原理與原子的共振吸收現(xiàn)象類似。
早期核磁共振主要用于對核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等，后來廣泛應用于分子組成和結(jié)構(gòu)分析，生物組織與活體組織分析，病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損監(jiān)測等方面。對于孤立的氫原子核（也就是質(zhì)子），當磁場為1.4T時，共振頻率為59.6MHz，相應的電磁波為波長5米的無線電波。但在化合物分子中，這個共振頻率還與氫核所處的化學環(huán)境有關(guān)，處在不同化學環(huán)境中的氫核有不同的共振頻率，稱為化學位移。這是由核外電子云對磁場的屏蔽作用、誘導效應、共厄效應等原因引起的。同時由于分子間各原子的相互作用，還會產(chǎn)生自旋-耦合裂分。利用化學位移與裂分數(shù)目，就可以推測化合物尤其是有機物的分子結(jié)構(gòu)。這就是核磁共振的波譜分析。20世紀70年代，脈沖傅里葉變換核磁共振儀出現(xiàn)了，它使C13譜的應用也日益增多。用核磁共振法進行材料成分和結(jié)構(gòu)分析有精度高、對樣品限制少、不破壞樣品等優(yōu)點。
最早的核磁共振成像實驗是由1973年勞特伯發(fā)表的，并立刻引起了廣泛重視，短短10年間就進入了臨床應用階段。作用在樣品上有一穩(wěn)定磁場和一個交變電磁場，去掉電磁場后，處在激發(fā)態(tài)的核可以躍遷到低能級，輻射出電磁波，同時可以在線圈中感應出電壓信號，稱為核磁共振信號。人體組織中由于存在大量水和碳氫化合物而含有大量的氫核，一般用氫核得到的信號比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號不同，結(jié)合CT技術(shù)，即電子計算機斷層掃描技術(shù)，可以得到人體組織的任意斷面圖像，尤其對軟組織的病變診斷，更顯示了它的優(yōu)點，而且對病變部位非常敏感，圖像也很清晰。
核磁共振成像研究中，一個前沿課題是對人腦的功能和高級思維活動進行研究的功能性核磁共振成像。人們對大腦組織已經(jīng)很了解，但對大腦如何工作以及為何有如此高級的功能卻知之甚少。美國貝爾實驗室于1988年開始了這方面的研究，美國政府還將20世紀90年代確定為“腦的十年”。用核磁共振技術(shù)可以直接對生物活體進行觀測，而且被測對象意識清醒，還具有無輻射損傷、成像速度快、時空分辨率高（可分別達到100μm和幾十ms）、可檢測多種核素、化學位移有選擇性等優(yōu)點。美國威斯康星醫(yī)院已拍攝了數(shù)千張人腦工作時的實況圖像，有望在不久的將來揭開人腦工作的奧秘。
若將核磁共振的頻率變數(shù)增加到兩個或多個，可以實現(xiàn)二維或多維核磁共振，從而獲得比一維核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像應用僅限于氫核，但從實際應用的需要，還要求可以對其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進行核磁共振成像。C13已經(jīng)進入實用階段，但仍需要進一步擴大和深入。核磁共振與其他物理效應如穆斯堡爾效應（γ射線的無反沖共振吸收效應）、電子自旋共振等的結(jié)合可以獲得更多有價值的信息，無論在理論上還是在實際應用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應用前景，伴隨著脈沖傅里葉技術(shù)已經(jīng)取得了一次突破，使C13譜進入應用階段，有理由相信，其它核的譜圖進入應用階段應為期不遠。
另一方面，醫(yī)學家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論基礎(chǔ)上1969年，紐約州立大學南部醫(yī)學中心的醫(yī)學博士達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功的將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區(qū)分開來，在達馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅.勞特伯爾于1973年開發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)(MRI)，并且應用他的設(shè)備成功地繪制出了一個活體蛤蜊地內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。勞特伯爾之后，MRI技術(shù)日趨成熟，應用范圍日益廣泛，成為一項常規(guī)的醫(yī)學檢測手段，廣泛應用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷。2003年，保羅.勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授彼得.曼斯菲爾因為他們在核磁共振成像技術(shù)方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。 其基本原理：是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計算機處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像?！ ?/p>
科學原理
核磁共振現(xiàn)象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動。
根據(jù)量子力學原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實驗結(jié)果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同：
質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0 ，即I=0，如12C,16O,32S等，這類原子核沒有自旋現(xiàn)象，稱為非磁性核。質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù) ，如1H,19F,13C等，其自旋量子數(shù)不為0，稱為磁性核。質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù)，這樣的核也是磁性核。但迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P ，由于原子核攜帶電荷，當原子核自旋時，會由自旋產(chǎn)生一個磁矩，這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動軸的擺動，稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。
原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的外加磁場中，其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。
原子核發(fā)生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發(fā)生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎(chǔ)。
為了讓原子核自旋的進動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據(jù)物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號.
技術(shù)應用
NMR技術(shù)即核磁共振譜技術(shù)，是將核磁共振現(xiàn)象應用于分子結(jié)構(gòu)測定的一項技術(shù)。對于有機分子結(jié)構(gòu)測定來說，核磁共振譜扮演了非常重要的角色，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜一起被有機化學家們稱為“四大名譜”。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。
對于孤立原子核而言，同一種原子核在同樣強度的外磁場中，只對某一特定頻率的射頻場敏感。但是處于分子結(jié)構(gòu)中的原子核，由于分子中電子云分布等因素的影響，實際感受到的外磁場強度往往會發(fā)生一定程度的變化，而且處于分子結(jié)構(gòu)中不同位置的原子核，所感受到的外加磁場的強度也各不相同，這種分子中電子云對外加磁場強度的影響，會導致分子中不同位置原子核對不同頻率的射頻場敏感，從而導致核磁共振信號的差異，這種差異便是通過核磁共振解析分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。原子核附近化學鍵和電子云的分布狀況稱為該原子核的化學環(huán)境，由于化學環(huán)境影響導致的核磁共振信號頻率位置的變化稱為該原子核的化學位移。
耦合常數(shù)是化學位移之外核磁共振譜提供的的另一個重要信息，所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動量的相互影響，這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發(fā)生變化，通過解析這些峰形的變化，可以推測出分子結(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。例如在氫譜中，d 表示二重峰 dd 表示雙二重峰 t 表示三重峰 m 表示多重峰，都是由于耦合作用產(chǎn)生的。
最后，信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息，處于相同化學環(huán)境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰，通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數(shù)量，從而為分子結(jié)構(gòu)的解析提供重要信息。表征信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分，這一信息對于1H-NMR譜尤為重要，而對于13C-NMR譜而言，由于峰強度和原子核數(shù)量的對應關(guān)系并不顯著，因而峰強度并不非常重要。
早期的核磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產(chǎn)生核磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產(chǎn)生的核磁共振信號很強，容易檢測。隨著傅立葉變換技術(shù)的發(fā)展，核磁共振儀可以在很短的時間內(nèi)同時發(fā)出不同頻率的射頻場，這樣就可以對樣品重復掃描，從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區(qū)分出來，這使得人們可以收集13C核磁共振信號。
近年來，人們發(fā)展了二維核磁共振譜技術(shù)，這使得人們能夠獲得更多關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的信息，目前二維核磁共振譜已經(jīng)可以解析分子量較小的蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。
醫(yī)學運用
核磁共振成像技術(shù)是核磁共振在醫(yī)學領(lǐng)域的應用。人體內(nèi)含有非常豐富的水，不同的組織，水的含量也各不相同，如果能夠探測到這些水的分布信息，就能夠繪制出一幅比較完整的人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，核磁共振成像技術(shù)就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進而探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
與用于鑒定分子結(jié)構(gòu)的核磁共振譜技術(shù)不同，核磁共振成像技術(shù)改編的是外加磁場的強度，而非射頻場的頻率。核磁共振成像儀在垂直于主磁場方向會提供兩個相互垂直的梯度磁場，這樣在人體內(nèi)磁場的分布就會隨著空間位置的變化而變化，每一個位置都會有一個強度不同、方向不同的磁場，這樣，位于人體不同部位的氫原子就會對不同的射頻場信號產(chǎn)生反應，通過記錄這一反應，并加以計算處理，可以獲得水分子在空間中分布的信息，從而獲得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。
核磁共振成像技術(shù)還可以與X射線斷層成像技術(shù)（CT）結(jié)合為臨床診斷和生理學、醫(yī)學研究提供重要數(shù)據(jù)。
核磁共振成像技術(shù)是一種非介入探測技術(shù)，相對于X-射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù)，MRI對人體沒有輻射影響，相對于超聲探測技術(shù)，核磁共振成像更加清晰，能夠顯示更多細節(jié)，此外相對于其他成像技術(shù)，核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變，而且還能夠?qū)δX、心、肝等功能性反應進行精確的判定。在帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、癌癥等疾病的診斷方面，MRI技術(shù)都發(fā)揮了非常重要的作用?！ ?/p>
地質(zhì)勘探
核磁共振探測是MRI技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的延伸，通過對地層中水分布信息的探測，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結(jié)構(gòu)信息。
目前核磁共振探測技術(shù)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的鉆探探測技術(shù)的補充手段，并且應用于滑坡等地質(zhì)災害的預防工作中，但是相對于傳統(tǒng)的鉆探探測，核磁共振探測設(shè)備購買、運行和維護費用非常高昂，這嚴重地限制了MRS技術(shù)在地質(zhì)科學中的應用?！ ?/p>
基本特點
①共振頻率決定于核外電子結(jié)構(gòu)和核近鄰組態(tài)；②共振峰的強弱決定于該組態(tài)在合金中所占的比例；③譜線的分辨率極高?！ ?/p>
原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等?！ ?/p>
發(fā)展研究
1991年，58歲的瑞士化學家Richard R. Ernst已是功成名就，正馬不停蹄地繞著地球領(lǐng)獎頒獎。在從莫斯科飛往紐約的泛美航空公司的班機上，他被機長告知了得諾貝爾化學獎的消息。在大西洋上空海拔一萬多米的駕駛艙中，Ernst聽取了來自瑞典皇家科學院，瑞士總統(tǒng)和他在蘇黎士理工的同仁們的祝賀。據(jù)說，Ernst在說了不勝榮幸之類的客套話后，接著就問到：“誰是另外兩個獲獎?wù)?？”他急于想知道誰將和他瓜分那一百萬美元的獎金。那年得諾貝爾化學獎的，只有Ernst一人。
核磁共振能得到化學家的青睞，源于一種叫“化學位移”(chemical shift)的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，是因為圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子改變了原子核周圍的磁場強度，因而使原子核的共振頻率發(fā)生了位移。于是，通過檢測原子核的共振頻率，就可以推算出其所處的電子也就是化學環(huán)境，核磁共振波譜學便應運而生了。
然而Ernst以前的核磁共振實驗，用來激發(fā)原子核能級躍遷的電磁波都是單一頻率的。要想捕捉到不同共振頻率的原子，科學家們必須不厭其煩地改變磁場的強度，以使原子核的能級和電磁波的頻率吻合，這樣的實驗是極其繁瑣和費時的。Ernst率先發(fā)明了用脈沖信號取代單一頻率電磁波的方法，脈沖信號包含的豐富的頻率成分能一次性的把不同共振頻率的原子核激發(fā)，這樣只要對采集到的信號做一個簡單的傅立葉變換，就可以得到樣品的完整的核磁共振譜。Ernst的工作大大地改變了核磁共振波譜學的面貌，他創(chuàng)立的脈沖核磁共振和傅立葉分析理論對日后的成像研究也有巨大的影響，因為現(xiàn)代的成像技術(shù)多是在傅立葉空間采集數(shù)據(jù)，然后通過二維傅立葉變換進行圖像重建。
如今核磁共振波譜學已經(jīng)被廣泛地應用于分析化學與結(jié)構(gòu)化學的研究中，在關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究上，開始和傳統(tǒng)的X光晶體衍射的方法平分秋色。雖然核磁共振的方法在分辨率上尚不及X光晶體衍射，但因為核磁共振能直接對溶液中的蛋白質(zhì)進行分析而不需要生成晶體，所以它在研究蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成以及蛋白質(zhì)之間的相互作用上，有其獨到之處。2002年，諾貝爾化學獎的一半頒給了另一個在用核磁共振波譜學研究生物大分子結(jié)構(gòu)方面有杰出工作的瑞士化學家Kurt Wüthrich，也許是因為這次是和另外兩個做質(zhì)譜儀的科學家平分，或者是得獎多次產(chǎn)生了審美疲勞，這一次在醫(yī)學界并沒有掀起太大的波瀾。
參看
- 磁共振成像（MRI）
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