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说到核磁共振波谱，人们首先想到的是医院里的核磁共振成像(MRI)。此前有新闻报道称，某医院患者家属不听劝告，推着轮椅进房间做核磁共振检查。结果轮椅狠狠地吻了核磁共振机，十几个人一起很难把轮椅卸下来。

在进行核磁共振检查之前，医生总是提醒患者取下他们的金属物品。这是什么原因呢？有人说核磁共振检查的过程就像大规模的金属噪音混合现场，终生难忘。核磁共振仪会对人体造成伤害吗？也许你会谈到“核”变色。不要害怕。今天我们就来揭开它的神秘面纱，说说核磁共振是什么。

图1磁共振成像仪的MRI吸附轮椅(图片来自网络)

核磁共振首先是什么？核磁共振中，“核”是指原子核，“磁”是指磁场。在外加静磁场中，特定频率的电磁波照射原子核，原子核会吸收能量，从基态变为激发态，即从稳定态变为活跃态，产生核磁共振。射频脉冲停止后，原子核会逐渐从激发态回落到基态，在回落的过程中会释放能量。我们通过线圈收集核磁共振信号。

这个描述是不是有些抽象？我们来开个脑洞，有趣的了解一下这个过程。看过漫威漫画电影的人都知道，里面最火的超级英雄是浩克。你可以把原子核想象成浩克，磁场中发出的特定频率的电磁波，就像激怒浩克的导火索，让彬彬有礼的班纳博士瞬间变成愤怒的浩克。《愤怒的绿巨人》是核磁共振的发生。经过一番打斗和发泄，浩克回头找了班纳博士。这个“发泄过程”被记录了下来，这就是收集到的核磁共振信号。

(图片来自互联网)

磁共振检查中使用的仪器是MRI机，受试者将被送入一个被强磁场包围的检查室。在检查过程中，仪器会不断发出射频脉冲，声音就像正在施工的冲击钻。音量高达100分贝左右，有些人会觉得热，皮肤会有静电感。别担心，核磁共振是一种无损检测。检查时向人体发射的射频脉冲是频率约为107赫兹的无线电波。电磁波的能量和我们日常的收音机、手机在一个数量级，没有X射线。因此，在核磁共振检查时，无需担心射频脉冲对人体的伤害。但是因为被强磁场包围，所以在做核磁共振之前，一定要按照医生的要求，把身上的金属物全部取出来。值得注意的是，如果体内有起搏器或顺磁性金属植入物，如金属支架、钢板等。，磁共振成像不能做，否则会有危险。

医学检查中MRI的磁场强度一般为1.5-3特斯拉。这是什么概念？在50纬度左右是地球磁场强度的7500-15000倍。在如此强的磁场下，结合一种特定的编码技术，通过空定位和信号重构，可以呈现人体的内部组织。核磁检查扫描的原子核是1H核，因为人体约70%是由水构成的(H2O)。人体内血液、肌肉、脂肪、各器官的含水量不同，H2O所处的环境也不同，所以1H核的特性也不同。磁共振成像的本质是通过调节射频脉冲的参数来突出各种组织中1H核的差异。MRI可以提供很多CT无法提供的细节，尤其是软组织的分化，可以帮助医生发现很多不易察觉的病变，比如它可以看到椎间盘，判断是否有椎间盘突出；还可以看看关节内的韧带和半月板是否有损伤或断裂。

由于核磁共振成像使用人体内的1H信号来成像，水果和蔬菜也含有大量的水分。我们能扫描它们并得到核磁共振谱吗？波士顿大学医学院的AndyEllison博士突发奇想。有一次，他大胆尝试用橘子校准自己的高清核磁共振机，有了一个惊喜的发现。从此一发不可收拾，我们从核磁共振的角度看到了很多果蔬的奇妙姿态。

图2黄瓜、杨桃、番茄从左到右的核磁共振波谱(图片来自互联网)

核磁共振技术自1938年科学家IsidorRabi发现核磁共振现象以来，经过80多年的发展，不仅应用于医学诊断，还广泛应用于物理、化学、生物等领域。这些领域使用的核磁仪器是核磁共振核磁共振波谱仪，根据被检测化合物的状态可分为固体核磁共振仪和液体核磁共振仪。核磁共振波谱仪可以观察分子的微观结构和运动，识别蛋白质的结构和功能等。，像一个超级放大的放大镜，帮助我们一窥微观分子世界。

图3(左)600M固体核磁共振谱仪；(右)500M液体核磁共振谱仪。

摄于中国科学院上海有机化学研究所公共技术服务中心。

这里你可能会有一个疑问:化学元素周期表中的118种元素是否都可以用核磁共振检测？不会，需要遵循一个原理:在磁场中能产生核自旋现象的原子核，才能产生核磁共振信号。简单地理解核自旋现象，我们可以把原子核看成一个均匀分布核电荷的球体，它像陀螺一样旋转时就是核自旋的现象。如果原子核自旋，就会产生核磁矩。如果原子核在磁场中受到特定频率的射频脉冲的“刺激”，就会“生气”。化学周期表中有88种元素具有核磁矩，1H、13C、19F、15N、31P等原子核都具有核磁矩。这些原子是有机和无机化学物质的重要元素，因此是核磁共振波谱仪的主要研究对象。

图4抗高血压药物缬沙坦分子的13C固体核磁共振谱

由于测试的对象不同，核磁共振波谱仪的外观设计和谱图与核磁共振波谱仪有所不同。当我们用核磁共振波谱仪扫描化学物质时，我们会得到一个无线电波的频谱图。以13C核为例，因为化合物中有很多官能团，如-CH3，-COOH等。在这些官能团中，13C原子通过化学键与其他核相连。由于连接原子的种类和方式不同，不同官能团中13C的核外电子云会发生不同程度的形变，从而影响核自旋，最终导致核磁共振谱图中信号峰的位置不同，即化学位移。因此，我们可以利用核磁共振谱图中的化学位移来推断官能团的类型，峰宽和峰形也包含了官能团的运动和结构信息。因此，核磁共振是科学家解决未知化合物结构难题的得力助手。

图5 13 cnmr谱图中有机化合物官能团的化学位移(来源:

https://organicchemistrydata.org)

核磁共振波谱仪的磁场强度越强，得到的波谱分辨率越高。随着核磁共振的技术壁垒被攻克，谱仪的超导磁场强度也在不断突破极限。目前最新的超高磁共振谱仪的磁场强度为28T。如此强的磁场有助于科学家在生理条件下研究蛋白质的结构和功能。马克斯·普朗克研究所(MPI)和德国神经退行性疾病中心(DZNE)的科学家们正在使用这种超高场核磁共振设备研究新冠肺炎的核衣壳蛋白(N)。他们发现，当病毒进入宿主细胞时，新冠肺炎病毒的核衣壳蛋白(N)和宿主核糖核酸(RNA)会凝结，形成类似于无膜细胞器的微小液滴。这项研究发现让我们对新冠肺炎如何复制有了新的理解。

核磁共振还可用于石油勘探、岩土工程、种子筛选、食品分析等。它不仅促进了先进材料科学、结构和功能生物学、医学等科学领域的发展，而且在我们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。所以下次不要谈“核”色变。了解了这么多核磁共振的知识，你应该觉得“核”了，开心了吧！