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提到核磁共振譜儀，大家首先想到的是醫(yī)院中的核磁共振成像儀（MRI）。之前有新聞報道稱，某醫(yī)院的病人家屬不聽勸告，把輪椅推進核磁共振檢查的房間，結果輪椅狠狠地“吻”上了核磁共振儀，十幾個人共同協(xié)作也很難將輪椅取下。 做核磁共振檢查前，醫(yī)生總會提醒患者取下身上的金屬物品，這么做有什么道理呢？有人說核磁共振檢查的過程猶如一場大型金屬噪聲混音現(xiàn)場，令人終身難忘。核磁共振儀會對人體會造成傷害么？也許你會談“核”色變。別怕，今天我們來揭開它神秘的面紗，談談到底什么是核磁共振。 圖1 核磁共振成像儀MRI吸附輪椅（圖片來自網(wǎng)絡） 首先什么是核磁共振呢？核磁共振中的“核”是指原子核，“磁”是指磁場。在外加靜磁場中，特定頻率的電磁波照射原子核，原子核會吸收能量從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，即從穩(wěn)定的狀態(tài)變?yōu)榛钴S態(tài)，發(fā)生核磁共振現(xiàn)象。停止發(fā)射射頻脈沖后，原子核會從激發(fā)態(tài)逐漸回落到基態(tài)，在回落的過程中就會釋放出能量，我們通過線圈采集這個過程從而獲得了核磁共振信號。 這么描述是不是有些抽象，那我們就來開一個腦洞，趣味的理解這個過程。看過漫威電影的人都知道，里面脾氣最火爆的超級英雄絕對是綠巨人浩克莫屬了。你可以把原子核想象成綠巨人浩克，磁場中發(fā)射的特定頻率的電磁波，就像是激怒浩克的導火索，讓彬彬有禮的班納博士瞬間變成了生氣的綠巨人，“生氣的浩克”就是發(fā)生了核磁共振現(xiàn)象。經(jīng)歷一番打斗發(fā)泄后綠巨人又變回了班納博士，這番“發(fā)泄過程”被記錄下來，就是采集到的核磁共振信號。 （圖片來自網(wǎng)絡） 磁共振檢查中使用的儀器是核磁共振成像儀，受試者會被送入強磁場環(huán)繞的檢查倉內(nèi)。檢查過程中儀器會不斷地發(fā)射射頻脈沖，聲音像是一臺沖擊鉆在施工，音量高達100分貝左右，有些人會感到身體發(fā)熱、皮膚會有靜電的感覺。不要擔心，核磁共振是一種無損檢測，檢查中向人體發(fā)射的射頻脈沖是一種無線電波，頻率在107 Hz左右，電磁波能量與我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖找魴C、手機在一個數(shù)量級上，并沒有X射線，因此不用擔心磁共振檢查中的射頻脈沖對人體的傷害。但是由于被強磁場環(huán)繞，所以進行核磁共振檢查前必須遵循醫(yī)生的要求，把身體上的金屬物全部拿掉。值得注意的是，如果體內(nèi)有心臟起搏器或者有順磁性金屬植入物，例如金屬支架、鋼板等，就不能進行磁共振成像檢查，否則會發(fā)生危險。 醫(yī)學檢查中的核磁共振成像儀的磁場強度一般為1.5-3特斯拉，這是一個什么概念呢？大約是50緯度的地球磁場強度的7500-15000倍。在如此強大的磁場下，結合特定的編碼技術，經(jīng)過空間定位及信號重建，人體的內(nèi)部組織就可以呈現(xiàn)出來。核磁檢查中掃描的原子核是1H原子核，因為人體大約70%是由水（H2O）組成。人體中的血液、肌肉、脂肪以及各種器官的含水量不同，H2O所處的環(huán)境也不同，1H原子核的特性也因此不同。MRI的精髓就是通過調(diào)控射頻脈沖參數(shù)，凸顯各個組織中1H原子核的差異。MRI能提供很多CT檢查不能提供的細節(jié)，尤其對軟組織的區(qū)分，這可以幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)許多不易察覺的病變，比如它能看到椎間盤，判斷是否有椎間盤突出；在關節(jié)中還能看到韌帶、半月板是否有損傷、斷裂。 既然MRI是利用人體中的1H信號進行成像，那水果蔬菜中也含有大量的水分，是否也可以進行掃描，得到核磁譜圖呢？美國波士頓大學醫(yī)學院的Andy Ellison醫(yī)生曾突發(fā)奇想，有一次他大膽嘗試利用橙子校準他的高清MRI核磁共振成像儀，有了驚喜的發(fā)現(xiàn)。也從此一發(fā)不可收拾，讓我們看到了核磁共振視角下許多水果和蔬菜的奇妙姿態(tài)。 圖2 從左至右，黃瓜、楊桃、番茄的MRI譜圖（圖片來自網(wǎng)絡） 核磁共振技術不僅被應用于醫(yī)療診斷，自1938年科學家 Isidor Rabi 發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象后，經(jīng)過八十多年的發(fā)展，核磁共振技術已被廣泛的應用于物理、化學、生物學等領域。在這些領域中用到的核磁儀器是核磁共振波譜儀（NMR Spectrometer），根據(jù)被檢測化合物的狀態(tài)，核磁共振波譜儀又可分為固體核磁共振儀和液體核磁共振儀。NMR波譜儀可以觀測分子的微觀結構、分子運動，鑒定蛋白質的結構和功能等，像一個超大倍數(shù)的放大鏡，幫助我們在微觀的分子世界里一窺究竟。 圖3 （左）600M固體核磁共振波譜儀；（右）500M液體核磁共振波譜儀。 圖片攝于中國科學院上海有機化學研究所公共技術服務中心。 到這里大家可能會有個疑問：化學元素周期表中的118個元素都可以進行核磁共振測試么？并不是，需要遵循一個原則：在磁場中能夠產(chǎn)生核自旋現(xiàn)象的原子核才能產(chǎn)生核磁共振信號。簡單的理解核自旋現(xiàn)象，我們可以將原子核看作是一個核電荷均勻分布的球體，它像陀螺一樣進行旋轉就是核自旋現(xiàn)象。若原子核存在自旋，則會產(chǎn)生核磁矩，在磁場中用特定頻率射頻脈沖去“刺激”原子核，它就會“生氣”。在化學周期表中具有核磁矩的元素有88種，1H、13C、 19F、 15N、31P等原子核都有核磁矩，這些原子是有機和無機化學材料的重要組成元素，因此它們是核磁共振波譜儀研究的主要對象。 圖4 抗高血壓藥物纈沙坦分子的13C 固體核磁共振譜圖 由于檢測對象的不同，核磁共振波譜儀的外觀設計以及譜圖都與MRI有所不同。當我們用NMR波譜儀掃描化學物質時，會得到一個無線電波的譜線圖。我們以13C核為例，由于化合物中存在許多種官能團，例如-CH3、-COOH等。在這些官能團中，13C原子與其它原子核之間通過化學鍵相連，由于連接原子的種類以及連接方式的不同，不同官能團中13C的核外電子云會發(fā)生不同程度的形變，進而影響了核自旋，最終導致NMR譜圖中信號峰出現(xiàn)的位置即化學位移的不同。因此我們可以利用NMR譜圖中的化學位移推斷出官能團的種類，且峰寬、峰形也包含了官能團的運動以及結構信息。所以核磁共振是科學家解開未知化合物結構謎題的得力助手。 圖5 有機物的官能團在13C NMR譜圖中的化學位移（圖片來源：https://） NMR波譜儀的磁場強度越強，得到的譜圖分辨率也越高。隨著NMR技術壁壘的攻克，波譜儀的超導磁場強度也在不斷地突破極限，目前最新型的超高磁共振波譜儀的磁場強度為28 T。如此強大的磁場幫助科學家實現(xiàn)了在接近生理條件下研究蛋白的結構和功能。馬克斯-普朗克研究所（MPI）和德國神經(jīng)退行性疾病中心（DZNE）的科學家們就在利用這臺超高場核磁共振儀研究新冠病毒的核殼蛋白（N），他們發(fā)現(xiàn)當病毒進入宿主細胞時，新冠肺炎病毒核殼（N）蛋白和宿主核糖核酸（RNA）會發(fā)生凝結，形成類似于無膜細胞器的微小液滴，這一研究發(fā)現(xiàn)讓我們對新冠病毒如何復制有了新的認識。 核磁共振儀還可以用于勘探石油、巖土工程、種子篩選、食品分析等方面，它不僅推動了先進材料科學、結構功能生物學、醫(yī)學等科學領域的發(fā)展，在我們的日常生活中也扮演著越來越多的重要角色。所以下一次不要談 “核”色變，了解了這么多核磁共振知識，應該感到“核”顏悅色吧！ 審稿：吳劍 校稿：葛航銘 來源：中國科學院上海有機化學研究所 |
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