互动科普

你或你的某位朋友可能因为身体内部的疾病而接受过磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查。磁共振成像仪如同一个巨大的面包圈，占据了整个房间，躺在它狭小的中空部分，通常会产生一种幽闭恐惧症般的焦虑情绪。但磁共振成像仪能扫描人体内部各种软组织，得到高对比度图像，为诊断提供帮助。因此，这种焦虑“物有所值”。事实上，磁共振成像只是核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术的一种。核磁共振技术为我们带来了巨大的便利，借助它，科学家不必进入研究对象机体内部，就可以确定材料的化学组成，了解蛋白质和其他重要生物分子的结构。

但是，医生和科学家一直都非常渴望能有一种可以在实验室外使用的便携式核磁共振设备。他们曾经设想制造一种头盔式的磁共振成像扫描仪，使急救人员在风驰电掣的救护车内就可检查中风病人脑中血栓的位置；他们也曾设想过一种可辨别颜料化学成分的手握式核磁共振设备，艺术鉴赏家通过它可以轻易地将悬挂在博物馆和画廊中那些大师真迹与现代赝品区分开来。

直到今天，研究人员也还远远达不到能够制造全能“三录仪”的水平。［三录仪，tricorder，著名科幻电视剧《星际迷航》（Star Trek）中的一种手持装置，可以对一个区域进行扫描，并显示扫描信息。］ 但早在1993年，我和我以前的博士生彼得·布吕姆勒（Peter Blümler）就向研制便携式核磁共振设备迈出了稚嫩的第一步。当时，我们都在德国美因兹的马普高分子研究所工作。在我俩的努力下，一种可用于材料测试的小型工具终于诞生了，它可以为在野外从事研究工作的人提供有价值的信息。从此以后，其他研究人员也纷纷加入到“可移动核磁共振”这个正在萌芽的研究领域中来。他们在我们最初使用的方法及其他方法基础上，发展出了一大批相关技术，把越来越强大的分析与成像功能整合在一起。

最简单的核磁共振仪

15年前，我和布吕姆勒半开玩笑地提出一种设想：开发一种结构最为简单的设备，能产生具有实用价值的核磁共振信号。在当时，这个想法看上去的确相当可笑，因为大多数研究者正朝着与之相反的方向发展——设计更为复杂的核磁共振测量方案，用来获取物体和物质的更为精细的结构信息。但是，我们过去曾经开发过适用于高分子材料的磁共振成像技术，经验告诉我们，昂贵且巨大的磁体——以及这些磁体所产生的均匀磁场——并不是准确成像所必需的。

我们认识到，虽然廉价的永久磁铁产生的磁场相对较弱（大约为冰箱贴磁场强度的20~50倍），而且并不均匀，但利用这样的磁场同样可以产生出有用的数据，将各种不同的软物质构成的区域清楚地区分开来。很快，布吕姆勒设计了一种装置，可获取传统磁共振成像图像中单一像素所包含的基本信息。考虑到在扫描体形较大的物体时，它可像电脑鼠标一样移动，我们将此装置命名为“核磁共振可移动通用表面探测仪”（nuclear magnetic resonance mobile universal surface explorer，NMR-MOUSE）。在英语中，“可移动通用表面探测仪”可缩写成“MOUSE”（中文意思是鼠标），所以我们也将该仪器简称为“核磁共振鼠标”。

我们的发明最吸引人的地方就是，它有望变得像咖啡杯一样小巧，这也意味着它可以被方便地随意搬动。传统核磁共振仪所能测量的样品尺寸受限于它所使用的环形磁体的孔径大小，但我们所设计的装置很好地解决了这个问题，使用者可将它放在任意大的物体表面，来窥探物体的内部。

但核磁共振鼠标中极度不均匀的磁场确实是个问题。根据现有的书本知识，这会使它无法对材料进行详尽的化学分析。

传统的核磁共振仪

为了克服核磁共振鼠标中磁场不均匀这个障碍，我们借用了标准核磁共振测量中常用的一个特殊度量——T2时间常数。常规高分辨率核磁共振仪的一般操作方法是，将样品放置在一个可产生高强度均匀磁场的巨大固定磁体中。实际上，该方法利用了这样一个事实：某些原子的原子核（由带正电的质子和中性的中子组成）会像微型陀螺那样围绕着它们的轴自旋，使得它们像小磁棒一样具有南北两极（见上方框图）。在强磁场中，这些旋转的“磁棒”倾向于沿着外磁场的磁力线（field force line）方向排列。但这样的排列并不精确，使得这些旋转的原子核，或者叫核自旋，围绕着磁力线来回摆动，这个过程也称为“进动”（precess）。这就像对一个旋转的陀螺施加一个侧面的力，它就会产生舞蹈般的动作一样。

如果此时对原子核施加一个射频 （radio-frequency）能量脉冲，它们会根据各自的旋转速率吸收特定频率的射频能量，随后再将这些能量释放出来。这些频率就构成了一幅核磁共振波谱图。像指纹一样，核磁共振波谱图中那些具有不同强度的波峰，可用于鉴别构成样品的化学基团。这些数据还可被进一步处理分析，建构成可用于区分不同材料的图像。

更为准确地说，核磁共振波谱学的核心，实际上就是测量原子核响应外加磁场和射频脉冲时所产生的进动频率。当一个非磁性样品被暴露在磁场中之初，内部的核自旋会大致沿着外磁场方向排列。当射频线圈发射的一个射频脉冲照射到样品上后，这些核自旋一开始会同步进动，但这种同步会逐步消失，最后回到原始状态。核自旋恢复平衡态需要一个过程，让它们把从射频脉冲那里吸收来的能量重新释放出来。这个过程的快慢可用时间常数T1来衡量［这个特征时间的概念有点像放射性半衰期（radioactive half-life），即样品的核衰变辐射水平从最大降低到原来的一半所需要的时间］。

磁性核自旋的同步进动，会在接收线圈中引发随时间衰减的振荡电压。对不同的核自旋类型而言，振荡电压衰减所需的时间可用特征时间常数T2来表示。为了得到可描述物质化学性质的核磁共振波谱图及磁共振图像，人们可以运用各种复杂的数学公式对所得到的T1、T2以及样品的进动数据进行分析处理。例如，通过计算得到样品中某一区域范围内的核自旋密度，并据此得到以自旋密度为参照的物体图像。

驾驭回波串

我们意识到可以在非均匀磁场中测量T2值，这是核磁共振鼠标得以诞生的关键。早在1949年，美国伊利诺伊大学的著名物理学家欧文·L·哈恩（Erwin L. Hahn）就指出：由于回波信号的存在，在非均匀磁场中也能检测到物体对核磁共振激励的响应。在这些非均匀磁场中，线圈中接收到的由射频脉冲激发产生的信号电压迅速衰减为零。但是，如果随后对物体施加第二个脉冲，便可使线圈中的信号电压恢复。施加更多的脉冲，则会产生一系列回波，科学家们称之为回波串（见上方框图）。T2弛豫时间（relaxation time）决定了回波串中回波信号幅度随时间衰减的快慢，不同种类的材料具有不同的T2弛豫时间。

T2值的长短实际上反映了所研究分子的运动性：软物质的内部分子可自由运动，它们具有较长的T2值；硬物质内部分子的运动性较差，它们的T2值就较短。当物质发生化学反应或者相变（phase transition）的时候，构成该物质的分子的运动性也会随之变化。因此，不同的T2值不仅提供了有关材料物理化学性质的信息，还可在医学影像中用作参照数据，有助于区分不同区域中的不同组织。

1994年，我和布吕姆勒来到德国亚琛工业大学，开始着手研究核磁共振鼠标的最初版本。两年后，我们从设备上观察到了第一个信号，并且惊奇地发现，这一设备几乎可以从任何含有质子的材料中（诸如木材、橡胶和巧克力等）获得响应。有些材料的回波串很长，另外一些的则较短。此后，我们又开始系统地研究，如何将T2值与所测材料的性质联系起来。

在随后的几年中，我们不断改进该装置。费德里科·卡萨诺瓦（Federico Casanova）与胡安·佩洛（Juan Perlo）加入了我们在亚琛工业大学的研究小组，并发挥了重要作用。最终，我们把核磁共振鼠标设计为钱包大小，并沿用至今。当时的设计方案只有一个面可用于检测，由磁体产生的磁场从这个面向外延伸。核磁共振鼠标耗电量极低，功率和一盏白炽灯差不多。目前，世界上已经有40~50台这样的设备投入使用。 

使用核磁共振鼠标

我们使用核磁共振鼠标研究的第一批材料就包括橡胶，因为这种材料对轮胎之类的工业产品具有很重要的商业意义，并且它像身体组织一样柔软——磁共振成像仪可以很好地对它们成像。橡胶由形状像意大利面条一样的长长的聚合高分子组成，通过随机的交联（cross-link），这些分子被组合成为一种三维网络。对于很多应用来说，交联密度是决定橡胶总体硬度的最重要指标之一。轮胎由多层具有不同化学性质和交联密度的橡胶化合物组成，性能就取决于所有这些组分之间的相互影响。通常情况下，我们在跑道上对新款轮胎进行测试，才能了解它的性能究竟如何。但我们的研究表明，核磁共振鼠标可以在不损坏成品轮胎的条件下，分析各层橡胶中的交联密度。这也使得一些原本需要在跑道上进行的测试项目变得不再必要。

核磁共振鼠标可检测物体中不同深度的层面，最深可达好几厘米。由于它的磁场只能在离设备某一特定距离处产生核磁共振信号，使用者需要手动移动这一信号敏感区，使它穿越轮胎中不同的橡胶层，并获得各层的T2读数（从而推算出各层中的交联密度）。核磁共振鼠标的其他类似应用还包括，分析高分子聚合材料（包括橡胶和聚乙烯）的环境降解程度，检测早期大师绘画作品中颜料黏合剂的化学组成等。

核磁共振鼠标的另一个重要应用就是，获取物体表面以下的内部特征。这些“表面”可包括人体皮肤或旧绘画上的尘土层、保护漆和修改层的颜料等。几年前，我们用该技术检测了一个保存完好的新石器时代木乃伊“冰人奥茨”（Otzi the Iceman，也叫做“阿尔卑斯冰人”）。1991年，冰川的融化使这具木乃伊暴露出来，随后被登山者在奥地利和意大利边境发现。科学家成功地运用核磁共振鼠标对“冰人奥茨”进行检测，得到了清晰的深度剖面图：最外层是一层冰，下面一层对应于“奥茨”冻干的皮肤和皮下组织，最下面一层则对应于他的骨骼结构，包括骨密质和骨松质。对致力于寻找深埋在地下的、含有完整史前DNA样本的考古学家来说，这种非破坏性骨骼结构可视化技术是极具价值的。

随着这项技术的原理逐渐变得广为人知，便携式核磁共振仪的使用范围开始向其他领域延伸，新西兰惠灵顿市Magritek公司的相关工作就是一个很好的例子，核磁共振研究的先驱保罗·卡拉汉（Paul Callaghan）是该公司的创始人之一。这家公司正在使用与我们的技术类似的一种方法，试图分析当冰川遭遇全球变暖后，南极冰芯（Antarctic ice cores）的力学特性如何变化。

最新进展

最近，卡萨诺瓦和佩洛改善了系统中永久磁体所产生磁场的均匀性，从而提高了检测分辨率。将烧杯放置在改进后的核磁共振鼠标之上，就可以揭示出烧杯中溶液的化学性质。这项功能令人吃惊，为化学家打开了一扇新的大门：可以利用核磁共振鼠标进行分子水平上的分析。研究人员还在研究磁体的各种排列方式，力图制成可用于化学分析的核磁共振系统，而它的体积只有咖啡杯那么大。

制造现有的核磁共振鼠标，硬件部分基本上就只相当于一块小磁铁外加一部手机。随着市场需求的增长，它的成本还会进一步降低。有朝一日，便携式核磁共振仪也许会在百货公司中出售，提供给个人使用：使用核磁共振鼠标，一些皮肤病患者在家中就可以对自己的皮肤情况进行监测，然后根据结果来调整皮肤护理方案。《星际迷航》 中的“三录仪”或许并非遥不可及。