斯特教授立了一大功

4. 斯特教授立了一大功

分析技术的新成就——核磁共振

如果提出这样一个问题：“现代医学中无损伤地诊断疾病的方法有哪些？”不少人都能答出X光射线透视、超声波检查，而对于“CT”及比“CT”更先进的“核磁共振”，知道的人也许就不多了。

70年代发明的“CT”即电子计算机X射线断层扫描成像，用于医学诊断，只需几秒钟就能准确地分析出病人身体内的病灶，而误差只有1毫米，确实很受医学界的欢迎。但它与其后问世的“核磁共振成像”新技术一比，却有点“小巫见大巫”了，因为后者更先进，也更安全。核磁共振成像能估计病变的发展方向；能观察、监视药物对病变组织的影响，甚至可以判断药物的疗效。它可以在任意方向取断面，没有死角。这种新技术，可以使人体的断层图像更清晰，软组织的对比度比CT提高1~3个等级。它还完全避免了X射线对人体的损害。CT的缺点是对生物体有害，而且所提供的信息是解剖学的，当用CT扫描时，只有当疾患大到足以使器官变形时才能查出。而核磁共振成像除了对病变作出诊断外，还可以在病变出现前，作出超早期诊断，可用于进行癌症的早期诊断（因为正常细胞和癌细胞的共振现象不一样）。

那么，核磁共振是谁发现的呢？

早在20年代初，物理学家们就开始研究磁偏转和核磁矩的测量等工作。1946年，美国的两个科学家，即哈佛大学的普塞尔（E.M.Purcell）和斯坦福大学的布洛赫（F.Bloch）分别在石蜡和水中观察到质子在静磁场里对射频辐射的共振吸收，他们基本上是同时提出了质子核磁共振的实验报告。他们还首先用核磁共振的方法研究固体物质，研究原子核的性质、原子核之间及核周围环境能量交换等问题。1949年核磁共振方法还被用来研究金属中的“化学位移”。为了表彰他们在核磁共振方面所作的贡献，布洛赫和普塞尔被授予1952年诺贝尔物理学奖。

目前用于医学诊断的磁共振成像技术（简称MRI）是核物理、微电子学等多种新技术应用的产物。它实际上是一个核磁共振波谱仪（图5-2）。该技术是利用人体内氢核（1H）固有的自旋特性，在外界恒定磁场及射频场的作用下产生磁共振，得到一组与氢核的共振性能相关的参数为成像的变量。其基本原理可表述为：当人体暴露在一均匀而稳定的磁场中时，包含在水和其他分子中的氢核（质子）就会沿磁场方向排列起来，如外加一束具有相应共振频率的突发射频能量到质子上，质子将被激发，当突发射频能量衰减时质子将变回到原有状态并将其能量释放出来。这一能量将被探测而变为信号，可以用接收线圈检测。将测到的信号处理后，便可得到氢核沿磁场梯度方向的一维投影。通过旋转磁场梯度，可得到各个方位的投影，再进行图像重建，便可得到三维空间的图像。

图5-2　核磁共振波谱仪示意图

核磁共振成像装置主要由磁场和计算机两大部分组成。其中建立静磁场的主体是磁体，临床要求磁场强度均匀和稳定，如均匀性不低于10^-4，稳定性不低于10^-5。目前磁体主要有三类，一是永久磁体，价格便宜，但均匀性、稳定性差；二是常导磁体，均匀性、稳定性较好一些，但维持费用大；三是超导磁体，均匀性、稳定性好，磁场强度高，缺点是造价高，而且需要用液氮、液氦维持低温核磁共振成像技术。

MRI兼顾了X射线及核医学的优点，它不仅能显示人体多方位解剖学形态，而且能提供人体原子核水平上的生物化学结构信息，是目前最有前途的医学影像技术，已经成为人们诊断疾病和防止疾病发展的重要方法。

目前核磁共振成像技术还只能使用氢核（1H，即质子）作为分析核素，人们对此并不满足。科学家们还在对新的分析核素进行探索。据报道，随着磁体磁场强度的提高，对13C、¹⁵C、¹⁹C、²³C和31C等核素也能得到满意的成像，这已成为世界尖端高技术的竞争目标。

核磁共振在化学领域大显身手

在化学学科的发展过程中，研究物质的结构和运动一直是化学家的主要兴趣，而各种物理分析测试方法起着极为重要的作用。核磁共振的“问世”，为化学家提供了一种用途极广的分析手段。

核磁共振技术进入化学领域始于50年代。1950年，斯坦福大学的两位物理学家普罗克特和虞福春第一次发现同一原子核在不同的化合物中测量频率存在差异的现象，其表现为共振吸收峰的位置不同，人们把这种现象称为“化学位移”，研究表明化学位移是由核外电子的屏蔽作用产生的。化学位移是鉴定官能团的重要依据。因为化学位移的大小与键的性质和键合的元素种类等有密切的关系。此外，各组原子核之间的磁相互作用构成自旋——自旋耦合。这种作用常常使得化学位移不同的各组原子核在共振吸收图上显示的不是单峰而是多重峰。自旋——自旋耦合使核磁共振谱进一步复杂化。但是它在仅由化学位移所得的信息之外，又提供了另外信息。所得的多重峰显示出特征性谱型。这种谱型是由分子中邻近原子核的数目、距离及对称性等因素决定的，因此它有助于揭示整个分子的结构。

由于上述研究的成果，使得核磁共振开始在有机研究方面大显身手，成为有机化合物的鉴定和结构测定的重要手段。一般根据化学位移鉴定分子中存在的基因，根据由自旋耦合产生的分裂峰数及耦合常数确定各基因间的联结关系，根据1H积分面积比确定各基因中质子数之比。核磁共振波谱仪对于高分子材料定性特别是高分子键结构的鉴定，能提供较其他方法更佳的重要结构数据。例如区分化学组成相同的聚丙烯酸乙酯和聚乙酸丙脂时，可判明其结构式；同时，这种仪器还能测定共聚物的组成与序列，从而分析出X、Y、Z三区域中各峰的归属。为了用镧系元素取代钡和钇，人们对超导材料中的超导性与磁阶的共存问题极为关注。而用核磁共振波谱仪以及核矩共振可准确测定原子的磁场和电场强度，从而成为研究超导材料中观测核的配位与磁阶的有用工具。核磁共振谱还可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转、化学交换、互变异构、络合物的配体取代反应等，并可应用于研究聚合反应的机理和高聚物的序列结构。其后，核磁共振成像技术又逐步扩大到医学、药学和生物学领域，成为临床诊断和研究生物体内动态过程的强有力的工具。近20年来，核磁共振分光法已经成为化学领域最重要的分析技术之一。

恩斯特教授的新贡献

1991年，瑞士物理化学家理夏德·恩斯特博士由于在核磁共振波谱学研究中作出的划时代贡献而荣获该年度诺贝尔化学奖。

恩斯特是苏黎世瑞士联邦理工学院（德文缩写ETH，旧称瑞士苏黎世联邦高等工学院）教授，他从攻读博士学位至荣膺诺贝尔奖的30年间，与核磁共振结下了不解之缘，并为该技术的不断发展创新作出了一系列开创性的贡献。

早在60年代初，青年恩斯特尚在苏黎世瑞士联邦理工学院攻读。当时正值计算机技术发展比较成熟的阶段。恩斯特是把这种新技术引进核磁共振波谱学的先驱者之一。1962年，他在ETH化学系获得博士学位，其论文课题就属于核磁共振的范畴。其后，他到美国加利福尼亚瓦里安仪器公司工作，进一步发展了计算机核磁共振技术。经过他的潜心研究，发现了一种方法可以简化核磁共振分光法，并提高它的灵敏度。这是他在核磁共振分光法研究中的第一个突破。具体说来，他的贡献有两方面：①用伪随机噪声激励方式改进或代替稳态连续波激励，在双共振核磁共振技术上获得成功，并研究了其对原子核标量耦合（J耦合）的影响。它能够得到全谱去耦，并可增加灵敏度，从而获得真正的化学位移。他还首次提出伪随机噪声激励可以单独作为全频谱激励，并通过自相关原理得出结果。这是目前所知的第三种核磁共振激励方式。这种技术在80年代得到发展，并获得了核磁共振的多维谱。②引进50年代发展起来的新的信息处理方法和快速傅里叶变换，并从瞬态脉冲激励的衰减信号中获取频谱。这是目前熟知的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，是恩斯特对核磁共振波谱学领域的巨大贡献之一，也是他此次获奖工作的一部分。

进入70年代，恩斯特在核磁共振技术的研究方面又有了新的突破，其重大发明被称为二维核磁共振谱。以往的核磁共振谱都是“一维”核磁共振谱。在使用脉冲傅里叶变换波谱仪作图时，变量为采样时间，经一次傅里叶变换从时畴谱转换成频畴谱。采用脉冲序列，可以引入第二个时间变量，它是某两个脉冲之间的时间间隔。这样的一批数据，经两次傅里叶变换得到“二维谱”，二维谱具有两个频率变量，再考虑峰的强度，是一个三维图形。1974年，恩斯特用分段步进采样后进行两次傅里叶变换的方法，得到了世界上第一张二维核磁共振谱，从而开创了多维谱研究新纪元，并使核磁共振从研究小分子结构扩展到大分子，特别是生物大分子溶液构象的测量。目前核磁共振二维谱是唯一能解决此问题的手段。事实证明，它对生命科学、生物化学、药物学等研究和发展具有深远意义，是目前世界上最热门的课题之一。这是恩斯特获奖的第二项也是最重要的工作。此外，他在核磁共振成像方面也作出过重要贡献。

由于恩斯特在现代核磁共振波谱学中的两次重大突破和其他丰硕成果，使他成为现代核磁共振波谱学的奠基人和杰出代表而载入科学史册。