核磁共振（NMR）原理与应用：从物理现象到医学成像技术详解
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核磁共振（NMR）是当静磁场中的原子核受到另一个交变磁场影响时发生的物理现象。人们通常所说的核磁共振，是指利用核磁共振现象获取分子结构和人体内部结构信息的技术，即磁共振成像。
并不是所有的原子核都能产生这种现象。原子核之所以能产生核磁共振，是因为它具有核自旋。原子核的自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止的外磁场中时，会发生原子核进动和能级分裂。在交变磁场的作用下，自旋核吸收特定频率的电磁波，并从较低能级跃迁到较高能级。这个过程就是核磁共振。
核磁共振是一种物理现象。作为一种分析方法，广泛应用于物理、化学、生物学等领域。直到1973年才用于医学临床测试。
目录
技术发展
20世纪30年代，物理学家伊西多·拉比（ Rabi）发现，磁场中的原子核会在磁场方向上以有序且平行的方式排列，无论是正向还是反向。当施加无线电波时，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类对原子核与磁场和外部射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于 1944 年获得诺贝尔物理学奖。
1946年，两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，当将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中并施加特定频率的射频场时，原子核会吸收射频场。能量现象，这是人们对核磁共振现象的初步认识。为此，两人荣获1952年诺贝尔物理学奖。
核磁共振现象被发现后很快就出现了实际应用。化学家利用分子结构对氢原子周围磁场的影响来开发核磁共振波谱来分析分子结构。随着时间的推移，核磁共振波谱技术不断发展，从最初的一维氢谱开始，发展到13C谱、二维核磁共振谱等先进谱图，核磁共振技术分析分子的能力逐渐增强。结构变得越来越坚固。进入20世纪90年代后，人们甚至开发出了依靠核磁共振信息来确定溶液相的技术。精确测定蛋白质分子结构成为可能。
1946年，哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布他们发现了核磁共振（NMR）。两人因这项工作获得1952年诺贝尔奖。核磁共振是原子核磁矩在恒定磁场和高频磁场（无线电波频段）同时作用下的同时作用。当满足一定条件时，就会发生共振吸收。核磁共振已迅速成为探索和研究物质微观结构和性质的高科技技术。目前，核磁共振已广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域。
原子核由质子和中子组成，两者都具有固有磁矩。一般可以理解为它们的行为就像磁场中的小磁针。在外磁场的影响下，核磁矩与磁场相互作用引起能级分裂，能级差与外磁场的强度成正比。如果同时加上与能级区间对应的交变电磁场，就可以引起原子核的能级跃迁，产生核磁共振。可见其基本原理与原子的共振吸收现象类似。
早期核磁共振主要用于研究核结构和性质，如测量核磁矩、电四极矩、核自旋等。后来，它被广泛应用于分子组成和结构分析、生物组织和活体组织分析、病理分析、医学诊断、产品无损监测等。对于一个孤立的氢原子核（即一个质子），当磁场为1.4T，谐振频率为59.6MHz，对应的电磁波为波长5米的无线电波。但在化合物分子中，这种共振频率还与氢核所在的化学环境有关。不同化学环境中的氢原子核具有不同的共振频率，称为化学位移。这是由核外电子云对磁场的屏蔽效应、感应效应和共存效应造成的。同时，由于分子中原子之间的相互作用，也会发生自旋耦合分裂。利用化学位移和分裂数，可以推断化合物，尤其是有机物的分子结构。这是核磁共振波谱。 20世纪70年代，脉冲傅立叶变换核磁共振仪的出现，使得C13光谱的使用越来越广泛。利用核磁共振分析材料成分和结构具有精度高、对样品限制少、对样品无损伤等优点。
最早的MRI实验由于1973年发表，立即引起广泛关注，并在短短10年内进入临床应用阶段。有稳定磁场和交变电磁场作用于样品。电磁场去除后，处于激发态的原子核可以跃迁到低能级并辐射电磁波。同时线圈中可感应出电压信号，称为核磁共振信号。人体组织由于存在大量的水和碳氢化合物而含有大量的氢核。一般来说，氢原子核获得的信号比其他原子核大1000倍以上。正常组织和病变组织的电压信号是不同的。与CT技术即计算机断层扫描技术相结合，可以获得人体组织的任意横截面图像，尤其对于软组织病变的诊断，更显示出其优势，对病变十分敏感。 ，图像也非常清晰。
在MRI研究中，一个前沿课题是功能性MRI，它研究人脑的功能和高级思维活动。大脑的组织已广为人知，但对其工作原理以及为何具有如此先进的功能却知之甚少。美国贝尔实验室于1988年开始这方面的研究，美国政府也将1990年代定为“大脑的十年”。核磁共振技术可以直接观察生物体，并且被测对象是有意识的。它还具有无辐射损伤、成像速度快、空间和时间分辨率高（分别达到100μm和数十毫秒），可以检测多种核素。 、化学位移选择性等优点。美国威斯康星州医院在工作中拍摄了数千张人脑的实时图像，有望在不久的将来揭开人脑的奥秘。
如果NMR的频率变量增加到两个或更多，则可以实现二维或多维NMR，从而获得比一维NMR更多的信息。目前核磁共振成像的应用仅限于氢原子核，但从实际应用的需要来看，还需要对其他原子核如：C13、N14、P31、S33、Na23等进行核磁共振成像、I127等。C13已进入实用阶段，但仍需进一步拓展和深化。核磁共振与穆斯堡尔效应（伽马射线无反冲共振吸收效应）、电子自旋共振等其他物理效应的结合，无论在理论上还是在实际应用中都可以获得更有价值的信息。具有十分重要的意义。核磁共振具有广阔的应用前景。随着脉冲傅里叶技术的突破，C13光谱已进入应用阶段。有理由相信，用不了多久，其他原子核的光谱也将进入应用阶段。
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另一方面，医学家发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象。利用这种现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而准确绘制人体内部结构。基于这一理论，1969年，纽约州立大学北部医学中心的医学博士测量了核磁共振的弛豫时间。受新技术的启发，纽约州立大学石溪分校的物理学家 Paul于 1973 年开发了一种基于核磁共振成像技术 (MRI) 的方法，成功区分了小鼠体内的癌细胞和正常组织细胞，并利用他的成功绘制活蛤内部结构图像的设备。劳特伯特之后，MRI技术日益成熟并得到广泛应用。它已成为常规医学检测方法，广泛应用于帕金森病、多发性硬化症等脑部和脊柱病变以及癌症的治疗和诊断。 2003年，英国诺丁汉大学教授保罗·劳特博尔和彼得·曼斯菲尔德因对磁共振成像技术的贡献而获得诺贝尔生理学或医学奖。其基本原理是将人体置于特殊磁场中，利用射频脉冲激发人体内的氢原子核，使氢原子核发生共振并吸收能量。停止射频脉冲后，氢原子核会发射特定频率的无线电信号，并释放所吸收的能量，这些能量被体外的接收器收集，经电子计算机处理后获得图像。这称为核磁共振成像。
科学原理
核磁共振现象源于原子核自旋角动量在外磁场作用下的进动。
根据量子力学原理，原子核和电子一样，也具有自旋角动量。其自旋角动量的具体值由原子核的自旋量子数决定。实验结果表明，不同类型原子核的自旋量子数也不同：
质量数和质子为偶数的原子核，自旋量子数为0，即I=0，如12C、16O、32S等，这些原子核没有自旋现象，称为非磁性原子核。质量数为奇数、自旋量子数为半整数的原子核，如1H、19F、13C等，其自旋量子数不为0，称为磁核。质量数为偶数、质子数为奇数且自旋量子数为整数的原子核也是磁核。但迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核才能产生可供人们利用的核磁共振信号。人们常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。由于原子核带有电荷，当原子核旋转时，会从旋转中产生磁矩。该磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，其大小与原子核的自旋角动量成正比。如果将原子核置于外部磁场中，如果原子核磁矩的方向与外部磁场的方向不同，则原子核的磁矩将绕外部磁场的方向旋转。这种现象类似于陀螺仪旋转轴在旋转过程中的摆动，称为进动。进动具有能量和一定的频率。
核进动的频率由外部磁场的强度和原子核本身的性质决定。也就是说，对于特定的原子，在一定强度的外部磁场中，其核自旋进动的频率是固定的。
原子核进动的能量与磁场、原子核磁矩以及磁矩与磁场的夹角有关。根据量子力学原理，原子核磁矩与外部磁场的夹角不是连续分布的，而是由磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑变化，从而形成一系列能级。当原子核在外部磁场中接受其他来源的能量输入时，会发生能级跃迁，即原子核的磁矩与外部磁场之间的角度发生变化。这种能级跃迁是获得 NMR 信号的基础。
为了使核自旋进动引起能级跃迁，需要向原子核提供跃迁所需的能量。这种能量通常由外部射频场提供。根据物理学原理，当外界射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同时，射频场的能量可以被原子核有效吸收，为能量提供帮助。电平转换。因此，特定的原子核在给定的外部磁场中，只吸收特定频率的射频场提供的能量，从而形成核磁共振信号。
技术应用
NMR技术，即核磁共振波谱技术，是一种应用核磁共振现象来测定分子结构的技术。对于有机分子结构的测定，核磁共振波谱起着非常重要的作用。核磁共振光谱与紫外光谱、红外光谱、质谱一起被有机化学家称为“四大名谱”。目前核磁共振波谱的研究主要集中在 1H 和 13C 两类原子核的波谱上。
对于孤立的原子核来说，同一个原子核只对相同强度的外磁场中某一频率的射频场敏感。然而，由于分子中电子云分布等因素的影响，分子结构中的原子核所经历的外磁场的实际强度往往会发生一定程度的变化。而且，分子结构中不同位置的原子核感受到的外部磁场也会有所不同。强度也不同。该分子中的电子云对外部磁场强度的影响，会导致分子中不同位置的原子核对不同频率的射频场敏感，从而导致核磁共振信号的差异。这种差异是通过核磁共振检测到的。分析分子结构的基础知识。原子核附近化学键和电子云的分布称为原子核的化学环境。由于化学环境的影响而引起的核磁共振信号频率位置的变化称为原子核的化学位移。
除了化学位移之外，耦合常数是核磁共振谱提供的另一个重要信息。所谓耦合是指邻近原子核的自旋角动量的相互作用。原子核自旋角动量的这种相互作用将改变原子核在外部磁场中的自旋。介质进动的能级分布导致能级分裂，进而导致核磁共振谱中信号峰的形状发生变化。通过分析这些峰形的变化，可以推断出分子结构中原子之间的连接关系。 。例如，在氢谱中，d代表双峰，dd代表双双峰，t代表三重峰，m代表多峰，这些都是由耦合引起的。
最后，信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息。相同化学环境中的原子核在核磁共振谱中会出现相同的信号峰。通过分析信号峰的强度，可以得知这些细胞核的数量，从而提供分子信息。结构分析提供了重要的信息。表征信号峰强度的是信号峰曲线下面积的积分。该信息对于 1H-NMR 谱尤其重要。对于 13C-NMR 谱，由于峰强度与核数之间的对应关系并不显着，因此峰强度不是很重要。
早期的核磁共振谱主要集中在氢谱。这是因为自然界中能够产生NMR信号的1H原子极其丰富，并且它们产生的NMR信号非常强且易于检测。随着傅里叶变换技术的发展，核磁共振仪器可以在很短的时间内同时发射不同频率的射频场，从而可以对样品进行重复扫描，以区分微弱的核磁共振信号和背景噪声，这使得人们可以收集 13C核磁共振信号。
近年来，人们发展了二维核磁共振波谱技术，使人们获得了更多关于分子结构的信息。目前，二维核磁共振波谱已经可以分析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。
医疗应用
磁共振成像技术是磁共振在医学领域的应用。人体水分非常丰富，不同组织的含水量也不同。如果能够检测到这种水的分布信息，就可以绘制出人体内部结构的较为完整的图像。 MRI技术利用识别水分子中氢原子信号分布的技术来推断人体内水分子的分布，进而检测人体内部结构。
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与用于识别分子结构的核磁共振波谱不同，核磁共振成像适应所施加磁场的强度，而不是射频场的频率。 MRI仪器将在垂直于主磁场的方向上提供两个相互垂直的梯度磁场。这样，人体磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化。每个位置都会有不同的强度和不同的方向。磁场，使位于人体不同部位的氢原子会对不同的射频场信号产生反应。通过记录这一反应并进行计算，可以获得水分子在空间分布的信息，从而获得人体内部结构的信息。图像。
MRI技术还可以与X射线断层扫描（CT）相结合，为临床诊断和生理医学研究提供重要数据。
MRI技术是一种非侵入性检测技术。与X射线透视技术和射线照相技术相比，MRI对人体没有辐射作用。与超声检测技术相比，MRI更清晰，可以显示更多细节。此外，与其他影像技术相比，MRI不仅可以显示有形的物理病变，还可以准确判断大脑、心脏、肝脏等的功能反应。MRI技术在帕金森病的诊断中发挥了非常重要的作用，阿尔茨海默病、癌症和其他疾病。
地质勘探
核磁共振检测是MRI技术在地质勘探领域的延伸。通过检测地层中的水分布信息，可以确定某一地层下是否存在地下水、地下水位的高度、含水层和其他地层结构的含水量和孔隙度。信息。
目前，核磁共振检测技术已成为传统钻探检测技术的补充手段，应用于滑坡等地质灾害的防治中。然而，与传统的钻井检测相比，核磁共振检测设备的购买、运行和维护成本非常高。这严重限制了MRS技术在地质科学中的应用。
基本特点
① 共振频率由核外电子结构和核邻位构型决定； ②共振峰的强度由该构型在合金中所占的比例决定； ③谱线分辨率极高。
原则上，所有非零自旋的核元素都可以用于成像，如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。
发展研究
1991年，58岁的瑞士化学家R·恩斯特成名，马不停蹄地绕地球领奖。在从莫斯科飞往纽约的泛美航空航班上，机长告诉他，他获得了诺贝尔化学奖。在大西洋上空一万多米的驾驶舱里，恩斯特聆听着瑞典皇家科学院、瑞士总统以及苏黎世理工学院同事们的祝贺。据说，恩斯特礼貌地表达了自己的荣幸后，问道：“另外两位获奖者是谁？”他很想知道谁会与他分享这100万美元的奖金。那年只有恩斯特获得诺贝尔化学奖。
核磁共振由于一种称为“化学位移”的现象而受到化学家的青睐。造成这种现象的原因是围绕原子核旋转的电子改变了原子核周围磁场的强度，从而改变了原子核的共振频率。因此，通过检测原子核的共振频率，我们可以推断出其所在电子的化学环境，核磁共振波谱技术应运而生。
然而，在恩斯特之前的核磁共振实验中，用于激发核能级跃迁的电磁波都是单一频率的。为了捕获具有不同共振频率的原子，科学家们必须不厌其烦地改变磁场的强度，使原子核的能级与电磁波的频率相匹配。这样的实验极其繁琐且耗时。恩斯特率先发明了用脉冲信号代替单频电磁波的方法。脉冲信号中含有丰富的频率成分，可以同时激发不同共振频率的原子核。这样，只要对采集到的信号进行简单的傅里叶变换，就可以获得样品完整的核磁共振谱。恩斯特的工作极大地改变了核磁共振波谱学的面貌。他创立的脉冲核磁共振和傅里叶分析理论对未来的成像研究也产生了巨大的影响，因为现代成像技术大多是在傅里叶空间中采集数据，然后通过两次三维傅里叶变换进行图像重建。
如今，核磁共振波谱已广泛应用于分析化学和结构化学的研究中。在蛋白质结构的研究中，已开始与传统的X射线晶体衍射法平起平坐。虽然NMR的分辨率不如X射线晶体衍射那么高，但由于NMR可以直接分析溶液中的蛋白质而不产生晶体，因此对于研究三维蛋白质结构的形成以及蛋白质之间的相互作用很有用。从功能上来说，它有其独特之处。 2002年，诺贝尔化学奖的一半授予了另一位瑞士化学家库尔特·吴(Kurt Wü)，他在利用核磁共振波谱研究生物大分子结构方面做出了杰出的工作。也许是因为这次他正在和另外两个人一起研究质谱仪。科学家们平分奖金，或者因多次获奖而疲惫不堪。这一次，并没有在医学界引起太大的轰动。
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