百年化學 【百年化學 歐洲篇 No.20 核磁】原子核的“跳棋遊戲”：核磁共振背後的諾獎級操作

如果你去過醫院做過核磁檢查,大概率會有這樣一段刻骨銘心的經歷,被護士塞進一個巨大的金屬圓筒裏,耳邊傳來咚咚咚的敲擊聲,像有人在外面用錘子砸鐵桶,還得全程保持不動,動一下一聲就會在對講機裏喊別動,再動重新拍,那種孤獨又煎熬的感覺,堪比被關在洗衣機裏轉圈圈,但你有沒有想過,這個看起來像巨型棺材的機器,背後藏着一個諾獎級別的物理奇蹟, 而這個奇蹟的誕生,全靠兩個科學家不約而同地偷聽了原子核的悄悄話。 故事要從1946年說起,這一年二戰剛結束沒多久,全世界的科學家都在從搞武器轉向搞科研,就像打完架的小孩放下拳頭,開始玩積木一樣, 一邊是斯坦福大學的瑞士科學家布洛赫,另一邊是哈佛大學的英國科學家珀塞爾,這倆哥們素未謀面, 卻在同一個時間段裏幹了同一件驚天動地的小事,他們都發現了原子核會跳舞,而且還能被叫醒。 先給大家科普一個基礎知識點,咱們身邊所有的物質都是由原子構成的,而原子的中心有個小核心,也就是原子核, 這個原子核可不是個老實本分的傢伙,它就像一個不停旋轉的小陀螺,而且旋轉的時候還會產生一個小小的磁場, 咱們稱之爲磁矩,你可以把它想象成一個微型的小磁針,不管不顧的自己轉圈圈,還自帶磁性。 布洛赫和珀塞爾當時做的實驗,其實本質上就是給這個小磁針加個大磁場,再用無線電戳它一下,布洛赫選的實驗樣品是水, 他在水旁邊放了一個銅線圈,這個線圈就相當於一個收音機,專門用來聽原子核的動靜。 而珀塞爾更省事,直接找了一小塊蠟,用類似的方法去探測裏面的氫原子,結果倆人同時發現,當他們給樣品加上一個穩定的外磁場, 在用特定頻率的射頻波照射的時候,原子核突然就興奮起來了,它們會吸收射頻波的能量,從一個低能量狀態跳到高能量狀態。 就像咱們平時坐沙發上偷懶,被人用零食引誘着站起來一樣,這種原子核吸收射頻能量發生共振的現象,就是核磁共振,簡稱NMR。 可能有人會問,這倆人撞車了,會不會像專利流氓一樣吵起來?恰恰相反,科學界講究的就是英雄所見略同。 1952年的諾貝爾物理學獎,直接把獎項頒給了這倆哥們,理由是他們獨立發現了核磁共振現象,爲人類探索微觀世界打開了一扇新大門。 這就相當於老師給兩個同時解除難題的學生都發了小紅花,只不過這個小紅花含金量高到能讓全世界記住他們的名字。 說到這,肯定有人還是一頭霧水,原子核的共振跟我有啥關係?我去醫院拍核磁,又不是去看原子核跳舞的,別急,咱們慢慢來。 咱們先把原子核自旋產生磁矩這個事,再簡化一下。 你可以把每個核磁共振活躍的原子核都看成一個不聽話的小磁針,平時沒有外磁場的時候,這些小磁針是雜亂無章的,東一個西一個,有的朝上,有的朝下。 就像一群沒上課的小學生,在教室裏亂蹦亂跳,毫無秩序,這時候,他們的詞句相互抵消,咱們根本探測不到任何信號。 就像一群人嘰嘰喳喳吵吵鬧鬧,你根本聽不清其中某個人在說什麼。 但當我們給這些小磁針加上一個強大的外磁場時,神奇的事情就發生了,這些原本雜亂無章的小磁針會慢慢歸順,要麼順着外磁場的方向排列,要麼逆着外磁場的方向排列。 就像老師走進教室,學生們瞬間安靜下來,要麼坐直聽講,要麼偷偷趴在桌子上,但總體來說秩序井然。 這時候,原子核的詞句就會呈現出一個靜磁矩,簡單說,就是所有小磁針的磁場加起來,能形成一個可以被探測到的總磁場。 更有意思的是,這些歸順的小磁針並不是一動不動的,它們會圍繞着外磁場的方向做一種旋轉運動,這種運動叫做靜動。 比如說,你可以想象一下,一個陀螺在旋轉的時候,不僅會繞着自己的肘轉,還會繞着地面做圓周運動。 原子核的靜動就和陀螺的運動一模一樣,而且不同的原子核,靜動的頻率是不一樣的。 這就像不同的人,走路的節奏不一樣,有的人快,有的人慢,原子核的靜動頻率只和他自己的磁旋比以及外磁場的強度有關。 這時候,咱們再用射頻波去戳這些原子核,如果射頻波的頻率剛好和原子核的靜動頻率一樣,那麼原子核就會聽懂這個頻率,主動吸收射頻波的能量,從順着外磁場的低能量狀態,跳到逆着外磁場的高能量狀態,這個過程就是共振。 就像你在盪鞦韆,別人推你的頻率剛好和你盪鞦韆的頻率一樣,你就會越蕩越高,原子核吸收射頻能量,就相當於盪鞦韆時被人推了一把,獲得了能量,實現了能級躍遷。 當射頻波停止照射後,這些處於高能量狀態的原子核又會慢慢冷靜下來,把吸收的能量釋放出去,回到低能量狀態,而它們釋放能量的時候,會產生一個微弱的電磁信號,這個信號被儀器探測到,經過計算機處理,就變成了我們看到的核磁譜圖或者核磁影像。 這整個過程,就像一場原子核的跳棋遊戲,外磁場讓棋子歸位,射頻波讓棋子跳起來,棋子落回原位時,留下的痕跡,就是我們需要的科學數據。 這裏必須澄清一個誤區,很多人一聽到核磁共振,就會聯想到核輻射,嚇得魂飛魄散,甚至寧願拍有輻射的CT,也不願意做核磁。 其實這是一個天大的誤會,核磁共振裏的核,指的是原子核,而不是放射性核素,它既不產生輻射,也不使用輻射,全程都是利用磁場和射頻波,和核輻射沒有半毛錢關係。 你可以把它理解成用磁鐵和無線電,和原子核聊了個天,安全到什麼程度,孕婦、嬰兒都可以放心做,比你每天看手機受到的輻射還小。 我見過最誇張的一個人,要做核磁的時候,還在裏面刷手機,結果被醫生罵了一頓,不是因爲有輻射,是因爲手機信號會干擾儀器,導致影像模糊。 回到我們的諾獎得主身上,布洛赫和珀塞爾雖然發現了核磁共振現象,但他們當時可能也沒想到,這個看似無用的物理發現,後來會徹底改變化學、醫學、材料科學等多個領域。 咱們先從化學領域說起,在覈磁共振發現之前,化學家們想要確定一個分子的結構,簡直比登天還難,比如同樣是由碳、氫、氧組成的分子,有的是酒精,有的是丙酮,有的是乙酸,它們的化學式可能只差幾個原子,但性質卻天差地別,那時候化學家們只能靠猜,靠各種繁瑣的化學反應,一點點推斷分子結構。 有時候一個分子的結構能讓全世界的化學家爭論好幾年,甚至鬧得面紅耳赤,但核磁共振出現之後,一切都變得簡單了,因爲不同環境下的原子核,共振頻率是不一樣的,這個現象叫做化學位移。 舉個例子,同樣是氫原子核,有的氫原子連在碳原子上,有的連在氧原子上,有的連在氮原子上,它們周圍的電子雲密度不一樣,受到的屏蔽效應也不一樣,簡單說就是電子雲會像保護罩一樣擋住一部分外磁場,不同的保護罩厚度會讓原子核感受到的外磁場強度不一樣,進而導致共振頻率不一樣。 就像同樣是被老師批評,有的學生被罵兩句就哭了,有的學生卻毫不在意,因爲他們的心理防護盾不一樣,原子核的保護罩不一樣,共振頻率也不一樣。 化學家們通過分析核磁譜圖上的化學位移峯,就能輕鬆判斷出一個分子裏有多少種不同環境的原子核,每種原子核有多少個,甚至能判斷出它們之間的連接方式。 比如,乙醇分子裏面有三種不同的氫原子,在覈磁譜圖上就會出現三個不同的峯,每個峯的面積還能對應氫原子的數量,這就相當於原子核自己報菜名,告訴化學家們我在這裏,我有多少個同伴,我旁邊是誰。 1951年,帕卡德等人首次用核磁共振技術對乙醇進行了檢測,得到了乙醇的氫譜。這張看似簡單的譜圖,在當時的化學界相當於擎天霹靂,因爲它證明了核磁共振技術能成爲分析化學領域的終極利器。 從此,化學家們告別了猜來猜去的時代。不管是天然產物的結構分析,還是人工合成藥物的純度檢測,核磁共振都是標配。現在,核磁共振譜和紫外光譜、紅外光譜、質譜被有機化學家們稱爲四大名譜,意味相當於武俠小說裏的四大名著,缺一不可。 可能有人會說,化學領域的事太專業了,我還是不關心。我就想知道,核磁在醫學上到底是怎麼用的?別急,醫學上的應用纔是核磁共振最出圈的地方,也是和我們每個人關係最密切的地方。 咱們先回顧一下,核磁共振的核心是探測原子核的共振信號,而我們人體70%以上都是水,水裏面有大量的氫原子核,這就意味着我們的身體本身就是一個天然的核磁共振樣品。 醫生們利用這一點,製造出了醫用核磁共振儀,通過探測人體內部氫原子核的共振信號來繪製人體內部的結構圖像。 醫用核磁儀和化學實驗室裏的核磁儀,原理其實是一樣的,但有一個關鍵區別。化學核磁儀是固定外磁場強度,改變射頻波的頻率,來探測不同原子核的共振信號,而醫用核磁儀是固定射頻波的頻率,改變外磁場的強度,來探測人體不同部位的氫原子核信號。 這就像你找東西,一種方法是你站在原地,喊不同人的名字,聽誰答應,另一種方法是你喊同一個人的名字,讓他在不同的位置回應你,兩種方法都能找到你要找的東西。 具體來說,醫用核磁儀會在人體周圍產生一個強大的主磁場,讓人體內部的氫原子核歸順排列,然後施加射頻波,讓氫原子核發生共振,吸收能量後躍遷到高能量狀態。 射頻波停止後,氫原子核釋放能量,產生微弱的信號,而核磁儀上的梯度磁場,會讓人體不同部位的氫原子核感受到不同強度的外磁場。 這樣一來,不同部位的氫原子核共振頻率就不一樣,釋放的信號也不一樣,儀器把這些不同部位的信號收集起來,經過計算機處理,就能生成一幅清晰的人體內部結構圖像,小到毫米級的並變,都能看得一清二楚。 這裏有個小故事,不得不提,此共振成像的雛形,其實是由一個叫達馬迪安的科學家提出來的。 1969年,紐約州立大學的達馬迪安發現,癌細胞和正常組織細胞裏的氫原子核共振時的持續時間不一樣。 持續時間,就是原子核從高能量狀態回到低能量狀態的時間,簡單說,就是原子核冷靜下來的速度。 癌細胞裏的水含量和正常細胞不一樣,氫原子核的環境也不一樣,所以持續時間也不一樣。 達馬迪安當時就想,既然不一樣,那是不是可以通過探測持續時間來區分癌細胞和正常細胞? 但達馬迪安只是提出了想法,並沒有做出真正的成像儀器。 真正做出人類歷史上第一張核磁共振圖像的,是石西大學的物理學家勞特伯。 1971年,勞特伯受到達馬迪安的啓發,用核磁共振技術對兩個裝滿水的室管進行了成像。 這張圖像雖然模糊不清,看起來就像兩個模糊的斑點,但它卻是人類歷史上第一張核磁圖像,意義非凡。 就像人類第一次登上月球,雖然只是踩了一小步,但卻是人類探索宇宙的一大步。 1972年,英國諾丁漢大學的曼斯菲爾德教授又進一步改進了技術。 他發現,通過增加外部磁場梯度,可以觀察到化學物質的原子結構,還能創建三維圖像。 1973年,勞特伯用自己改進的設備,成功繪製出了一個活體隔離的內部結構圖像。 這是人類第一次用核磁共振技術,看到活體生物的內部結構,爲後來的醫用核磁成像奠定了堅實的基礎。 後來,曼斯菲爾德和勞特伯因爲在磁共振成像領域的傑出貢獻, 共同獲得了2003年的諾貝爾生理學或醫學獎。 從核磁共振現象的發現,到磁共振成像的應用,短短几十年。 這項技術兩次獲得諾貝爾獎,足以證明它的重要性。 現在,醫用核磁儀已經成爲醫院裏不可或缺的診斷神器,尤其是在軟組織成像方面,比CT強太多。 CT是利用S射線穿透人體,對骨骼、肺部等硬組織成像效果好, 但對大腦、脊髓、關節、內臟等軟組織,成像效果就比較模糊。 而核磁儀,對軟組織的成像清晰度能達到毫米級。 比如大腦裏的微小腫瘤,脊髓裏的病變,關節裏的軟骨損傷, 甚至是心肌的微小病變,都能看得一清二楚。 我身邊有個朋友,膝蓋疼了好幾年,去醫院拍CT, 醫生看了半天,只說可能是滑膜炎,開了點藥,吃了也不管用。 後來醫生讓他去拍核磁,結果一拍就發現,他的膝蓋軟骨有一個微小的撕裂, 還有少量肌液,正是這個撕裂導致他一直膝蓋疼。 後來經過針對性治療,沒多久就好了,他當時就感慨, 這核磁也太神奇了,CT看不到的東西,他一眼就看出來了,簡直是火眼金睛。 除了診斷疾病,核磁儀還能用於疾病的治療監測,比如癌症患者。 經過手術、化療、放療後,醫生可以通過拍核磁,觀察腫瘤的大小變化,判斷治療是否有效。 比如中風患者,通過核磁成像,可以快速判斷中風的類型,爲治療爭取時間。 而且,因爲核磁沒有輻射,患者可以反覆檢查,不用擔心輻射對身體造成傷害,這也是他比CT更有優勢的地方。 說到這裏,咱們再回到核磁共振的原理本身,再深入挖一點。 可能有人會問,爲什麼有的原子核能做核磁共振,有的不能? 比如,我們身體裏的碳原子,爲什麼不能被探測到? 這就涉及到一個關鍵知識點,原子核的自旋量子數。 前面我們說過,原子核的自旋會產生磁矩,而只有具有非零自旋量子數的原子核,纔會有磁矩,才能發生核磁共振。 簡單說,就是隻有會旋轉,有磁性的原子核,才能被我們叫醒,那些不旋轉,沒有磁性的原子核。 就算我們用外磁場和射頻波喊破喉嚨,他們也不會回應。 這裏有一個簡單的規律,大家記一下,不用死記硬背,瞭解就行。 質量數爲基數的合數,具有半整數自旋,這類原子核都是核磁共振活躍的,能發生核磁共振。 質量數爲偶數,而且質子數和中子數都爲偶數的合數。 自旋量子數爲0,沒有此舉,不能發生核磁共振,質量數爲偶數,但質子數和中子數都爲基數的合數。 自旋量子數爲大於0的整數,也能發生核磁共振,但因爲它們的自旋量子數不是半整數,研究起來比較麻煩,一般很少用。 我們身體裏的碳原子大部分都是碳12,所以不能被核磁儀探測到,而氫原子大部分都是氫1,所以能被輕鬆探測到。 這也是爲什麼醫用核磁儀主要探測氫原子核的原因。 另外,031也是一種常用的核磁共振活躍核素,在生物化學研究中,經常被用來探測細胞內的零代謝,比如ATP、ADP這些能量分子的變化,幫助科學家們研究細胞的生理活動。 這個也很有意思,當兩個相鄰的核磁共振活躍原子核靠得很近的時候,它們的磁矩會相互影響,就像兩個相鄰的小磁針會相互吸引或排斥一樣。 這種相互影響會導致核磁譜圖上的峯發生分裂,比如一個原本單一的峯會分裂成兩個峯、三個峯甚至更多峯,而這種分裂的距離就是偶合常數。 化學家們通過分析偶合常數,就能判斷出原子核之間的連接關係,比如兩個氫原子核是不是連在同一個碳原子上,是不是相鄰的碳原子上的氫原子。 這就相當於兩個原子核在互相干擾,卻不小心暴露了自己的位置關係,被化學家們一眼看穿。 舉個例子,乙烷分子裏的氫原子都是等價的,它們之間沒有偶合作用,所以在覈磁譜圖上只有一個峯,而乙烯分子裏的氫原子相鄰且不等價,它們之間有偶合作用,譜圖上的峯就會分裂成兩個。 除了化學和醫學,核磁共振技術還在很多領域發光發熱,比如材料科學、地質勘探、石油工業,甚至是量子計算。 在材料科學領域,核磁共振技術被用來研究材料的結構和性能,比如我們平時用的塑料、橡膠纖維,它們的分子結構直接決定了它們的硬度、韌性、耐熱性。 科學家們通過核磁共振就能分析出這些材料的分子結構,比如分子鏈的長度、排列方式,甚至是分子之間的相互作用。 這樣一來,就能針對性地改進材料的性能,比如製造出更堅韌、更耐熱的塑料、更柔軟、更耐用的橡膠。 舉個例子,聚餅錫是我們平時最常用的塑料之一。 超市的塑料袋、家裏的塑料盆、汽車的零部件,很多都是用聚餅錫做的。 科學家們通過核磁共振技術分析聚餅錫的分子結構,比如分子鏈的織化度就能控制聚餅錫的性能。 織化度高的聚餅錫比較柔軟,適合做塑料袋。織化度低的聚餅錫比較堅硬,適合做塑料盆。 汽車零部件,可以說,沒有核磁共振技術,我們平時用的很多塑料製品可能都達不到現在的性能。 在地質勘探領域,核磁共振技術被用來探測地下水,這種技術叫做磁共振探測。 簡單說,就是利用核磁共振技術探測地層中的氫原子核,從而判斷地層中是否有地下水,以及地下水的水位、含水量、孔隙率等信息。 在乾旱地區,這項技術非常重要,能幫助人們找到地下水,解決飲水和灌溉問題。 而且,它還能用於滑坡等地質災害的預防,通過探測地層中的含水量變化,判斷滑坡的風險。 不過,這項技術也有一個缺點,設備非常昂貴,購買、運行、維護的成本都很高。 就像一輛豪華跑車,雖然性能強大,但不是誰都能用得起。 所以,目前它還只是傳統鑽探技術的補充手段,沒有被廣泛應用。 但相信隨着技術的發展,成本會慢慢降低,未來會在地質勘探領域發揮更大的作用。 在石油工業領域,核磁共振技術被用來找石油和採石油。石油和天然氣都是由碳氫化合物組成的,裏面含有大量的氫原子核。 科學家們通過在鑽井中放入核磁共振探測設備,就能探測到地層中是否有石油和天然氣,以及石油的儲量、滲透率等信息。 這就相當於給地球做了一個核磁檢查,找到地下的石油寶藏。 而且,在石油開採過程中,核磁共振技術還能用來監測油井的開採情況,比如判斷油井中還有多少石油,如何提高開採效率。 比如,有的油井開採一段時間後,產量會下降。科學家們通過核磁共振探測,就能發現是因爲油井中的孔隙被堵塞,還是因爲石油的流動性變差,從而採取針對性的措施,提高石油的開採率。 可以說,核磁共振技術爲石油工業的發展提供了強大的技術支持。 最神奇的是,核磁共振技術還被用來研究量子計算,這可是目前最前沿的科技領域之一。量子計算機的核心是量子比特,而核磁共振技術能利用原子核的自旋狀態作爲量子比特。 這正好對應量子比特的0和1狀態,而且通過控制外磁場和射頻波,還能控制原子核的自旋狀態,實現量子比特的操作和糾纏。 雖然目前核磁共振量子計算機還處於實驗室研究階段,沒有實現商業化應用,但它的潛力巨大。 未來,一旦核磁共振量子計算機研發成功,它的計算速度將遠遠超過現在的超級計算機,能解決現在超級計算機都無法解決的難題,比如密碼破解、藥物研發、氣象預測等。 可以說,布洛赫和珀塞爾當年的一個小小的發現,竟然爲未來的量子計算買下了一顆種子。 說到這裏,咱們再回顧一下核磁共振的發展歷程。 從1921年施特恩格·拉赫實驗認識到電子自旋,到1924年泡利提出不相容原理,再到1939年拉比首次探測到核磁共振現象,最後到1946年布洛赫和珀塞爾獨立發現核磁共振現象,再到後來的磁共振成像。 各種領域的應用,這一路走來凝聚了無數科學家的心血,每一步都充滿了探索和突破。 可能有人會說,這些科學家太厲害了,他們怎麼就能想到去研究原子核的共振呢? 其實,科學的進步從來都不是偶然的,而是源於科學家們的好奇心和堅持不懈的探索。 就像布洛赫和珀塞爾,他們沒有滿足於現有的知識,而是不斷追問原子核到底是什麼樣的,他們會有什麼樣的行爲。 然後通過一次次的實驗,一次次的嘗試,最終發現了核磁共振現象。 而且,科學的發展從來都不是一個人的功勞,而是一群人的接力。 拉比爲布洛赫和珀塞爾奠定了基礎,布洛赫和珀塞爾爲勞特伯和曼斯菲爾德開闢了道路。 勞特伯和曼斯菲爾德又把這項技術應用到醫學領域,造福人類。 就像一場接力賽,每個人都跑好自己的一棒,才能讓科學的接力棒一直傳遞下去,不斷前進。 現在,核磁共振技術已經融入到我們生活的方方面面,去醫院做檢查,用到的是磁共振成像。 我們平時用的塑料製品是通過核磁共振技術改進性能的,我們開車用的汽油是通過核磁共振技術找到和開採的,甚至未來的量子計算機也可能離不開核磁共振技術。 可以說,這項諾獎級別的技術已經成爲我們生活中不可或缺的一部分,默默守護着我們的健康,推動着社會的發展。 核磁共振,就是利用外磁場讓原子核歸順排列,用射頻波讓它們吸收能量發生共振躍遷,在探測它們釋放能量時產生的信號,從而獲得微觀世界的信息。 它沒有輻射,很安全,它用途廣泛,從化學到醫學,從材料到石油,無處不在,它的誕生,是科學家們好奇心和探索精神的結晶,是人類探索微觀世界的一大奇蹟。 下次你再去醫院做核磁,被塞進那個巨型圓筒裏,聽到咚咚咚的聲音時,就不要再害怕和無聊了,你可以想象一下,你身體裏的無數個氫原子核正在跟着磁場和射頻波跳着整齊的舞蹈,而醫生們正在通過這些舞蹈的痕跡,瞭解你身體的健康狀況,這就是科學的魅力。 它看似遙遠而晦澀,卻時刻圍繞在我們身邊,用它的力量,改變着我們的生活,守護着我們的未來。可能有人會問,核磁共振技術,未來還會有什麼新的發展?其實,科學家們一直在不斷探索,比如,研發更小型,更便宜的核磁儀,讓它走進更多的基層醫院,甚至走進家庭,比如,改進技術,讓核磁成像的速度更快,讓患者不用再長時間保持不動。 比如,探索更多原子核的核磁共振現象,讓這項技術能應用到更多的領域。相信在不久的將來,核磁共振技術還會給我們帶來更多的驚喜,爲人類的發展做出更大的貢獻。 就像布洛赫和珀塞爾當年沒有想到,他們的發現會改變世界一樣,我們也無法想象未來的科學技術會給我們帶來什麼樣的驚喜,但可以肯定的是,只要我們保持好奇心,保持探索精神,就一定能在科學的道路上不斷前進,不斷突破。