核磁共振的原理

【科学人说科学】固体核磁共振：第N感&ldquo 看&rdquo 世界　　主讲人：孔学谦 浙大化学系研究员 国家青年千人计划入选者　　让我们把日历调到2050年，展望一下未来人的生活：如果一个人感到身体不适，他只需掏出一个手机大小的仪器对自己快速扫描一番，人体器官影像、血液生化指标、新陈代谢状况等全面的医学信息便一目了然，然后通过网络传输给医生做出诊断。医生呢，也可以随时利用这个仪器监测药物的作用部位和治疗效果。一个小小的仪器协助人们实现了精准医疗、远程医疗的理想。当然，这只是我的一个科学&ldquo 狂&rdquo 想，但最有可能将此仪器变为现实的就是核磁共振技术(Nuclear Magnetic Res-onance，NMR)。　　核磁共振怎么&ldquo 看&rdquo ?　　提到核磁共振，你或许马上想到医院里巨大的圆筒形的核磁共振成像仪(MRI)。的确，核磁共振从最初作为一个物理现象被认知，到医用的核磁共振成像仪协助人类进行医疗诊断，已大大造福人类，当然我们还期待它有更广泛的应用。这一领域经过70多年的发展，已经诞生了5次诺贝尔奖，7位诺奖获得者。它究竟有多神奇呢?　　&ldquo 核磁共振&rdquo 中的&ldquo 核&rdquo 是指原子核，&ldquo 磁&rdquo 是指磁场。理解核磁共振的原理需要相当的量子力学基础，但不妨碍我们对它有个感性的认识：原子核就像小磁铁一样具有磁性，在外界磁场中，原子核会像陀螺一样旋转。而原子核的旋转可以吸收和释放特定频率的电磁波，它与调频广播FM的频率相当，我们把这个现象称为核磁共振。核磁共振不但能用来分辨物质的空间分布例如可以形成人体器官组织的影像，也可以帮你精确鉴定化学成分&mdash &mdash &mdash 每种化学或生物物质都有其特征的核磁共振谱线，例如分析药物的化学组成配方。　　与人类发明的光学、X射线、电子成像等诸多技术相比，核磁共振的优势很明显，第一，核磁共振技术只用到低能量的电磁场，不损伤被测物体，人畜无害 所以核磁共振成像在医学上是肿瘤诊断、脑科学研究的重要手段 第二，具有极高的化学分辨率。核磁共振技术在生物和化学领域被用来鉴定化学分子结构和研究蛋白质结构和功能。核磁共振技术就像给人附上了第N感，让人透过表象&ldquo 看&rdquo 到各种微观和内部的世界。　　把材料&ldquo 看&rdquo 个究竟　　在各种不同的研究对象中，我最想&ldquo 看&rdquo 到的是固体材料中内部结构和化学反应机理，从而为新型功能材料，新能源材料的研发提供指导。在加州大学伯克利分校从事博士后研究期间，我加入了美国能源部资助的重点研究团队，团队正在为解决发电厂的碳排放问题，开发新型材料用来捕捉收集燃烧排放的二氧化碳。课题组的负责人OmarYaghi教授，是一位材料课题组金属有机框架材料(MOF)领域的创始人，他发明了一种全新的非常有前途的MOF材料，它布满纳米级别的微小孔道，可以像海绵一样选择性、高容量地吸附二氧化碳气体。那么问题来了，这种高性能的吸附机理是怎样的?Yaghi教授很想知道，这种材料内部的化学官能团，是聚集在一起呢，还是分散的排列?　　要解决这个关键问题，我们必须&ldquo 钻&rdquo 到材料内部去&ldquo 看&rdquo 个究竟。这就好像要区分口袋里不同颜色的玻璃球&mdash &mdash &mdash 如果我把MOF材料三维结构比作玻璃球，而官能团则是它们的颜色。常见的X光衍射，电子显微镜等手段，可&ldquo 摸&rdquo 出球的大小、位置，但无法区别球的颜色。我设计了一种特别的核磁共振方法，不但可以&ldquo 看&rdquo 到球的颜色，而且可以看到色彩的图案。最终我的方法解开了有序晶体结构中不同化学官能团的排布谜题，深入阐释了材料纳米结构对二氧化碳吸附功能的影响。相关成果陆续在《科学》，《自然》等杂志上发表，这让更多人认可了核磁共振对材料结构认知的突破性贡献。　　期待&ldquo 看&rdquo 到更多　　2014年9月，我辞去美国硅谷的工作，正式入职浙江大学化学系，组建全新的具有世界水平的固体核磁共振实验室。我们实验室的根本目标是提升核磁共振技术应用的深度和广度。一方面，我希望核磁共振能使材料学科研究水平由单纯的结构表征提升到对整个工作体系的全面认知。这其中的关键有赖于原位表征技术的突破&mdash &mdash &mdash 即在反应进行过程中对物质进行直接研究，从而得到全面、准确、实时的信息。我们实验室正在着手构建这样的原位核磁共振系统，将具备流动态，变温，光照等多种特殊功能。另一方面，我希望核磁共振成为学术界、工业界乃至日常生活中可以大规模应用的技术。我们正在致力于推进核磁共振技术的小型化、便携化，让小型核磁系统能够媲美巨大且昂贵的超导核磁共振仪，在科学研究中发挥更大的作用。　　核磁共振是一个持续快速发展的学科，新的技术不断出现。超导磁场的强度正在不断突破极限 新型的脉冲序列不断推出，将核磁共振的功能不断拓展 新型的超极化方法正在研制之中，可将核磁共振灵敏度提升成千上万倍 在医学上，新的核磁造影剂可以标记病变细胞组织，提升成像精度 在物理学上，核磁共振被用作量子计算的载体 传统的能源行业也在应用核磁技术勘探石油天然气&hellip &hellip 毋庸置疑，核磁共振必将在未来的科学研究和人民生活中扮演越来越重要的角色，我希望我的实验室能在核磁共振技术的进化过程中发挥推动作用，并期待有一天开文所描绘的情景变为现实。

低场核磁共振（LF-NMR）技术具有检测速度快、对样品无损伤、无需预处理、实时获得数据等特点，同时还能够反映样品中水分子的存在形式及分布状态，目前，该项技术在多种领域取得了广泛应用；磁共振成像(MRI)是根据有磁距的原子核在磁场作用下，能产生能级间的跃迁的原理而采用的一项新检查技术，此项技术在医学领域对于人类有着长远的帮助。在第六届磁共振网络会议（iCMR2022）中的低场核磁(LFNMR)与磁共振成像(MRI)技术，仪器信息网共邀请了六位来自不同高校及科研机构的专家，为大家深度解析低场核磁(LFNMR)与磁共振成像(MRI)技术。 （点击报名）中国科学院生物物理研究所正高级工程师 胡一南《基于光泵式原子磁力计的非接触检测方法》 （点击报名）胡一南，中科院生物物理所研究员，高级技术专家，主要从事基于高灵敏原子磁力计的非接触检测方法研究，在中科院生物物理所任工程师期间，参加了搭建SQUID脑磁系统，对脑磁图技术及其临床应用有了深入了解。并发现原子磁力计在脑磁图仪上的巨大潜在应用价值。带领团队从事基于原子磁力计的可穿戴脑磁图系统研究，研发面向脑磁图的高精度高稳定性原子磁力计，承担并完成了基于主动磁补偿线圈的稳场等科研项目。如何快速地高精度地对锂电池的电量（SoC）和健康状况（SoH）进行检测是锂离子电池大规模应用以及循环使用的瓶颈问题，胡一南工程师提出基于使用原子磁力计测量电池磁化率的检测方案，通过突破背景磁场以及环境磁场强度对原子磁力计的灵敏度限制实现了毫秒级的电池非接触检测。牛津仪器应用科学家 文祎《如果核磁有了光》 （点击报名）文祎2011年于中国科学院上海药物研究所获得药物化学专业结构生物学方向博士学位，主要工作是以异核多维核磁共振技术研究生物大分子的结构、功能、相互作用以及基于弛豫的蛋白质动力学分析。2017年加入牛津仪器任磁共振应用科学家，主要负责低场台式核磁的应用开发以及售前售后技术支持。本次文祎科学家的报告题目为《如果核磁有了光》，具体将聚焦台式核磁。牛津仪器台式核磁共振波谱仪X-Pulse，具备宽带多核、流动化学、自动进样、变温和数据库等功能特性，在现场即可完成研发、质控和教学中多样的核磁分析任务。本次研讨会文祎科学家将分享台式核磁与光相结合，在实验室中实现光催化过程的原位分子水平监测技术。西湖大学副教授 孙磊《基于金属有机框架中电子自旋的锂离子量子传感》 （点击报名）孙磊，2021年10月加入西湖大学理学院组建分子量子器件和量子信息实验室。孙磊实验室致力于设计分子材料以研究量子现象，并通过器件实现分子级别的量子操控。研究主要围绕以下三个方向展开：（1）制备单分子自旋电子学和量子信息处理器件；（2）开发基于分子电子自旋量子比特的量子传感器，探索其在能源和生物领域中的应用 （3）制备单层二维金属有机框架材料及其异质结，探索量子输运现象。孙磊实验室设计合成了含有稳定自由基的金属有机框架，利用电子顺磁共振技术实现了室温下、溶液相中的锂离子鉴定和定量检测，并验证了多种离子并行传感的可行性。青岛腾龙微波科技有限公司技术支持工程师 杜婧雯《Spinsolve台式核磁用于在线反应监测》 （点击报名）杜婧雯，硕士毕业于中国科学院上海药物研究所药物分析专业，硕士期间主要从事基于核磁共振技术的蛋白质-小分子相互作用研究。目前在青岛腾龙微波科技有限公司担任技术支持工程师，主要致力于向不同行业的核磁用户推广Spinsolve台式核磁共振波谱仪和MestreNova软件产品的多种应用，同时根据用户的不同需求提供个性化解决方案及技术服务。化学反应的实时监测便于化学家们及时了解反应动力学、反应机理和反应进程，本次杜婧雯工程师将结合台式核磁共振波谱仪的技术及应用优势，介绍Spinsolve台式核磁针对于在线反应监测的应用，包括硬件装置和软件系统，以及数据的采集、处理、导出。清华大学博士后 李文郁《低场核磁共振技术在水泥基材料中的理论模型及应用》 （点击报名）李文郁，清华大学土木工程系博士后。研究领域：水泥基材料，水泥水化机理，低场核磁，固体核磁，核磁方法。低场核磁共振技术以水为探针来表征水泥基材料。相比水泥基材料研究中的压汞、氮吸附等传统测孔方法，低场核磁具有快速、原位、无损、预处理要求低等特殊优势。除广泛认可的孔结构表征外，低场核磁还具有物相定量和水分动力学研究的能力。李文郁博士后将各应用中所用到的理论模型归纳为四种，重点指出了各理论模型中的本征限制条件，为目前应用中的问题进行归类并分别提供了有效解决方案。此外，以多项水泥水化研究为例，通过低场核磁及其与X射线衍射、热重、量热仪等技术的结合，展示了低场核磁用于缓凝机理研究的可行性。山东职业学院教授 赵晓丽《植物特有插入序列诱导膜融合机制的核磁共振研究》 （点击报名）赵晓丽，博士毕业于北京大学北京核磁共振中心，主要研究内容为利用核磁共振技术解析蛋白结构，并联合其他技术对膜融合蛋白诱导膜融合的机理进行研究。本次赵晓丽教授将就《植物特有插入序列诱导膜融合机制的核磁共振研究》进行报告。会议报名链接： https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/icmr2022/

科学日报报道，地球磁场，作为人们熟悉的长距离方向指示器，常在从地理学到考古学的一系列应用中受到研究调查。现在，它提供了一种新技术的基础，后者或可以用于定义自然环境里流体混合物的化学组成成分。核磁共振检测化学组成成分所需的异常敏感性 美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员进行了一项概念验证的核磁共振（NMR）实验，也就是利用高度敏感的磁强计和可以与地球 磁场相比拟的磁场分析碳氢化合物和水的混合物。这项实验是在世界上最重要的核磁共振权威人士之一亚历山大· 派因斯（Alexander Pines）教授的核磁共振实验室内进行的。这项研究是美国加州大学伯克利分校的物理学家德米特里· 布德科尔（Dmitry Budker）教授与国家标准和技术研究所（NIST）的其它研究人员进行的长期合作的一部分。研究结果被发表在期刊《应用化学》并作为封面展示。研究联席作者有派因斯实验室的博士研究生保罗· 甘瑟尔（Paul Ganssle）。 &ldquo 这个基础研究项目旨在解答一个更宽泛的问题：我们是否能够在无需采样或者包封物体的前提下，远距离感知这个物体的内部化学和物理特性？&rdquo 美国 加州大学伯克利分校派因斯研究小组的首席调查员维克拉姆· 巴贾杰（Vikram Bajaj）这样说道。&ldquo 核磁共振的一个尤为美妙的方面在于它能够温柔地窥探完整物体内部，但从远距离窥探则相对比较困难。&rdquo 高场和低场核磁共振 核磁共振检测化学组成成分所需的异常敏感性，以及它在医疗应用方面所能提供的空间分辨率等都要求大型精确的超导磁体。这些磁铁非常昂贵且是不可 移动的。此外，研究样本必须放置在磁铁内部，使得整个样本能够暴露在均匀磁场内。这种完好发展的方法被称为高场核磁共振，而它的敏感性与磁场强度成正比。 然而，对于无法放置在磁铁内部的物体而言，对它进行化学特性描述则要求另一种不同的方法。在非原位核磁共振测量中，一个典型高场实验的几何原理 被翻转使用，探测器探测到样本表面，然后磁场被投射到这个物体上。这种情景的一个重大挑战在于在足够大的样本区域里产生均匀磁场：产生足够的磁场强度以进 行传统的高分辨率核磁共振测量是不可行的。 因此，放弃选择超导磁体，磁场核磁共振测量可以依赖地球的磁场，前提是有一个足够敏感的磁强计。&ldquo 地球磁场的一个优势在于它是均匀的，&rdquo 甘瑟尔解释道。&ldquo 而地球磁场被用于诱导检测的核磁共振成像（MRI，是NMR技术的一个同类）的问题在于你需要一个足够强且均匀的磁场，因此你需要将整个 物体包裹上超导线圈，这在某些应用领域，例如石油测井，是不可能实现的。&rdquo &ldquo 磁共振的敏感性取决于磁场，因为磁场会导致被检测到的旋转略微对齐。应用的场越强，信号越强，它的频率也越高，这些都有助于检测的敏感性。&rdquo 巴贾杰解释道。地球的磁场的确很弱，但光学磁强计可以作为没有任何永久磁铁的背景场里进行超低场核磁共振测量的探测器。这意味着非原位测量会仅因磁场强度 就丢弃化学敏感性，但这种方法也具有其它优势。 弛豫和扩散 在高场核磁共振里，样本的化学特性是从它们的共振光谱里确定的，但如果没有超高场或者极其长久的一致信号（这两种情况都需要永久磁铁），这也是不可能的。相比之下，低场核磁共振的弛豫和扩散测量对于确定散装材料特性来说绰绰有余。 &ldquo 低场（你可以使用永久磁铁或者地球磁场）的方法便是测量自旋弛豫，&rdquo 甘瑟尔解释道。弛豫是指极化的自旋回归均衡的速率，这是基于系统的化学和物理特性。此外，核磁共振实验会基于化合物的不同扩散系数而溶解它，而扩散系统取决于分子的大小和形状。 这种实验和传统实验的一个关键区别在于弛豫和扩散特性是通过光学探测的核磁共振来确定，而后者即使在较低磁场里也能敏感的操作。&ldquo 我们之前取得 的合作成果便是发展了检测核磁共振的磁强计，&rdquo 巴贾杰说道。&ldquo 这个实验代表了磁强计首次被用于对多成分混合物的弛豫和扩散测量。&rdquo 弛豫和/或扩散测量已经被广泛应用于石油工业的地下核磁共振测量，尽管传统的探测会使用永久的磁铁以增强本地磁场。早在20世纪50年代就曾有人试图用地球背景场进行石油测井，但探测性敏感度不足导致不得不引入磁铁，后者现在各种测井工具里普遍存在。 &ldquo 现在概念的新颖之处在于利用了磁强计，我们终于具备一定的科技以满足地球磁场有效探测所需的敏感性，这可能最终有助于实现远距离探测，&rdquo 研究合作作者斯考特· 塞尔泽尔（Scott Seltzer）解释道。 科学家们对这一设计在实验室内进行了测试，首先测量不同碳氢化合物和水的弛豫系数，然后测量均匀混合物的弛豫系数，以及利用磁强计和代表地球磁 场的外加磁场进行二维相关性实验。&ldquo 这一概念的证据或可以大量应用于石油工业，&rdquo 甘瑟尔说道。&ldquo 我们将碳氢化合物与水相混合，利用磁铁将它们先极化，然后外加一个类似地球磁场的磁场。随后我们利用磁强计进行测量，继而基于弛豫光谱我们 可以确定是否具备足够的敏感性以分离油和水的组成部分。&rdquo 这一技术可以帮助石油工业定义岩石里的流体，因为水和油的弛豫速率是不同的。其它应用领域还包括测量输油管里流过的水和油的容量，这主要是通过 测量随着时间的推移输油管里的化学组成成分来实现；以及检测食物的质量以及任何类型的聚合物固化过程，例如水泥固化和干燥。下一步则涉及理解地质构造的深 度，后者可以利用这种技术进行成像。&ldquo 我们的下一项研究将专门回答这个问题，&rdquo 巴贾杰说道。&ldquo 我们希望这种技术能够穿透1米甚至更多以了解地质构造并阐明内部的化学特性。&rdquo 最终探测器可以用于定义整个钻孔环境，而目前的设备只能够对几英尺深处进行成像。将地磁学和通用的感知技术相结合将提供更好的解决办法。这项研 究的其他合作作者还包括申铉栋(Hyun Doug Shin)、迈卡· 莱德贝特（Micah Ledbetter）、斯文亚· 克纳佩（Svenja Knappe）和约翰· 苛金（John Kitching）。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。