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核磁共振的技術(shù)發(fā)展

         西多·拉比，一個(gè)也許我們不太熟悉的名字。正是這位偉大的物理學(xué)家于1930年發(fā)現(xiàn)了磁場中的原子核會(huì)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)。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這也是人類關(guān)于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認(rèn)識。

    1946年兩位美國科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)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(huì)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(rèn)識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

    1946年，美國哈佛大學(xué)的珀塞爾和斯坦福大學(xué)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(jiǎng)。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(shí)作用下，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，會(huì)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(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

    原子核由質(zhì)子和中子組成，它們均存在固有磁矩。可通俗的理解為它們在磁場中的行為就像一根根小磁針。原子核在外加磁場作用下，核磁矩與磁場相互作用導(dǎo)致能級分裂，能級差與外加磁場強(qiáng)度成正比。如果再同時(shí)加一個(gè)與能級間隔相應(yīng)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。核磁共振回收認(rèn)為，它的基本原理與原子的共振吸收現(xiàn)象類似。

    人們在發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實(shí)際用途，化學(xué)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(shí)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(qiáng)，進(jìn)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。

    最早的核磁共振成像實(shí)驗(yàn)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(jìn)入了臨床應(yīng)用階段。作用在樣品上有一穩(wěn)定磁場和一個(gè)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(shí)可以在線圈中感應(yīng)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?xì)浠�合物而含有大量的氫核，一般用氫核得到的信號比其他核�?000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(jì)算機(jī)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(diǎn)，而且對病變部位非常敏感，圖像也很清晰。

    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(yīng)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(dāng)磁場為1.4T時(shí)，共振頻率為59.6MHz，相應(yīng)的電磁波為波長5米的無線電波。但在化合物分子中，這個(gè)共振頻率還與氫核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫核有不同的共振頻率，稱為化學(xué)位移。這是由核外電子云對磁場的屏蔽作用、誘導(dǎo)效應(yīng)、共厄效應(yīng)等原因引起的。同時(shí)由于分子間各原子的相互作用，還會(huì)產(chǎn)生自旋-耦合裂分。利用化學(xué)位移與裂分?jǐn)?shù)目，就可以推測化合物尤其是有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。這就是核磁共振的波譜分析。20世紀(jì)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(yīng)用也日益增多。用核磁共振法進(jìn)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(diǎn)。

    核磁共振成像研究中，一個(gè)前沿課題是對人腦的功能和高級思維活動(dòng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)室于1988年開始了這方面的研究，美國政府還將20世紀(jì)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(jìn)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(shí)空分辨率高(可分別達(dá)到100μm和幾十ms)、可檢測多種核素、化學(xué)位移有選擇性等優(yōu)點(diǎn)。美國威斯康星醫(yī)院已拍攝了數(shù)千張人腦工作時(shí)的實(shí)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(gè)或多個(gè)，可以實(shí)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(yīng)用僅限于氫核，但從實(shí)際應(yīng)用的需要，還要求可以對其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進(jìn)行核磁共振成像。C13已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，但仍需要進(jìn)一步擴(kuò)大和深入。核磁共振與其他物理效應(yīng)如穆斯堡爾效應(yīng)(γ射線的無反沖共振吸收效應(yīng))、電子自旋共振等的結(jié)合可以獲得更多有價(jià)值的信息，無論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應(yīng)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(jìn)入應(yīng)用階段，有理由相信，其它核的譜圖進(jìn)入應(yīng)用階段應(yīng)為期不遠(yuǎn)。