核磁共振技術的發展

　　1946年，美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫宣布，他們發現了核磁共振NMR。兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎。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）同時作用下，當滿足一定條件時，會產生共振吸收現象。核磁共振很快成為一種探索、研究物質微觀結構和性質的高新技術。目前，核磁共振已在物理、化學、材料科學、生命科學和醫學等領域中得到了廣泛應用。　

　　原子核由質子和中子組成，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致能級分裂，能級差與外加磁場強度成正比。如果再同時加一個與能級間隔相應的交變電磁場，就可以引起原子核的能級躍遷，產生核磁共振。可見，它的基本原理與原子的共振吸收現象類似。　
　　早期核磁共振主要用于對核結構和性質的研究，如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等，后來廣泛應用于分子組成和結構分析，生物組織與活體組織分析，病理分析、醫療診斷、產品無損監測等方面。對于孤立的氫原子核（也就是質子），當磁場為1.4T時，共振頻率為59.6MHz，相應的電磁波為波長5米的無線電波。但在化合物分子中，這個共振頻率還與氫核所處的化學環境有關，處在不同化學環境中的氫核有不同的共振頻率，稱為化學位移。這是由核外電子云對磁場的屏蔽作用、誘導效應、共厄效應等原因引起的。同時由于分子間各原子的相互作用，還會產生自旋-耦合裂分。利用化學位移與裂分數目，就可以推測化合物尤其是有機物的分子結構。這就是核磁共振的波譜分析。20世紀70年代，脈沖傅里葉變換核磁共振儀出現了，它使C13譜的應用也日益增多。用核磁共振法進行材料成分和結構分析有精度高、對樣品限制少、不破壞樣品等優點。　
　　最早的核磁共振成像實驗是由1973年勞特伯發表的，并立刻引起了廣泛重視，短短10年間就進入了臨床應用階段。作用在樣品上有一穩定磁場和一個交變電磁場，去掉電磁場后，處在激發態的核可以躍遷到低能級，輻射出電磁波，同時可以在線圈中感應出電壓信號，稱為核磁共振信號。人體組織中由于存在大量水和碳氫化合物而含有大量的氫核，一般用氫核得到的信號比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號不同，結合CT技術，即電子計算機斷層掃描技術，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，更顯示了它的優點，而且對病變部位非常敏感，圖像也很清晰。　
　　核磁共振成像研究中，一個前沿課題是對人腦的功能和高級思維活動進行研究的功能性核磁共振成像。人們對大腦組織已經很了解，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。美國貝爾實驗室于1988年開始了這方面的研究，美國政府還將20世紀90年代確定為“腦的十年”。用核磁共振技術可以直接對生物活體進行觀測，而且被測對象意識清醒，還具有無輻射損傷、成像速度快、時空分辨率高（可分別達到100μm和幾十ms）、可檢測多種核素、化學位移有選擇性等優點。美國威斯康星醫院已拍攝了數千張人腦工作時的實況圖像，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增加到兩個或多個，可以實現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用僅限于氫核，但從實際應用的需要，還要求可以對其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進行核磁共振成像。C13已經進入實用階段，但仍需要進一步擴大和深入。核磁共振與其他物理效應如穆斯堡爾效應（γ射線的無反沖共振吸收效應）、電子自旋共振等的結合可以獲得更多有價值的信息，無論在理論上還是在實際應用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應用前景，伴隨著脈沖傅里葉技術已經取得了一次突破，使C13譜進入應用階段，有理由相信，其它核的譜圖進入應用階段應為期不遠。