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谈“核”色变? 别怕!一起来揭开核磁共振的神秘面纱

辐射成像 核磁共振谱仪 MRI 原子核
发布:2021-04-02 09:28:25     来源:中科院之声

提到核磁共振谱仪,大家首先想到的是医院中的核磁共振成像仪(MRI)。之前有新闻报道称,某医院的病人家属不听劝告,把轮椅推进核磁共振检查的房间,结果轮椅狠狠地“吻”上了核磁共振仪,十几个人共同协作也很难将轮椅取下。

做核磁共振检查前,医生总会提醒患者取下身上的金属物品,这么做有什么道理呢?有人说核磁共振检查的过程犹如一场大型金属噪声混音现场,令人终身难忘。核磁共振仪会对人体会造成伤害么?也许你会谈“核”色变。别怕,今天我们来揭开它神秘的面纱,谈谈到底什么是核磁共振。

图1 核磁共振成像仪MRI吸附轮椅(图片来自网络)

首先什么是核磁共振呢?核磁共振中的“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,即从稳定的状态变为活跃态,发生核磁共振现象。停止发射射频脉冲后,原子核会从激发态逐渐回落到基态,在回落的过程中就会释放出能量,我们通过线圈采集这个过程从而获得了核磁共振信号。

这么描述是不是有些抽象,那我们就来开一个脑洞,趣味的理解这个过程。看过漫威电影的人都知道,里面脾气最火爆的超级英雄绝对是绿巨人浩克莫属了。你可以把原子核想象成绿巨人浩克,磁场中发射的特定频率的电磁波,就像是激怒浩克的导火索,让彬彬有礼的班纳博士瞬间变成了生气的绿巨人,“生气的浩克”就是发生了核磁共振现象。经历一番打斗发泄后绿巨人又变回了班纳博士,这番“发泄过程”被记录下来,就是采集到的核磁共振信号。

 

(图片来自网络)

磁共振检查中使用的仪器是核磁共振成像仪,受试者会被送入强磁场环绕的检查仓内。检查过程中仪器会不断地发射射频脉冲,声音像是一台冲击钻在施工,音量高达100分贝左右,有些人会感到身体发热、皮肤会有静电的感觉。不要担心,核磁共振是一种无损检测,检查中向人体发射的射频脉冲是一种无线电波,频率在107Hz左右,电磁波能量与我们日常使用的收音机、手机在一个数量级上,并没有X射线,因此不用担心磁共振检查中的射频脉冲对人体的伤害。但是由于被强磁场环绕,所以进行核磁共振检查前必须遵循医生的要求,把身体上的金属物全部拿掉。值得注意的是,如果体内有心脏起搏器或者有顺磁性金属植入物,例如金属支架、钢板等,就不能进行磁共振成像检查,否则会发生危险。

医学检查中的核磁共振成像仪的磁场强度一般为1.5-3特斯拉,这是一个什么概念呢?大约是50纬度的地球磁场强度的7500-15000倍。在如此强大的磁场下,结合特定的编码技术,经过空间定位及信号重建,人体的内部组织就可以呈现出来。核磁检查中扫描的原子核是1H原子核,因为人体大约70%是由水(H2O)组成。人体中的血液、肌肉、脂肪以及各种器官的含水量不同,H2O所处的环境也不同,1H原子核的特性也因此不同。MRI的精髓就是通过调控射频脉冲参数,凸显各个组织中1H原子核的差异。MRI能提供很多CT检查不能提供的细节,尤其对软组织的区分,这可以帮助医生发现许多不易察觉的病变,比如它能看到椎间盘,判断是否有椎间盘突出;在关节中还能看到韧带、半月板是否有损伤、断裂。

既然MRI是利用人体中的1H信号进行成像,那水果蔬菜中也含有大量的水分,是否也可以进行扫描,得到核磁谱图呢?美国波士顿大学医学院的Andy Ellison医生曾突发奇想,有一次他大胆尝试利用橙子校准他的高清MRI核磁共振成像仪,有了惊喜的发现。也从此一发不可收拾,让我们看到了核磁共振视角下许多水果和蔬菜的奇妙姿态。

 

图2 从左至右,黄瓜、杨桃、番茄的MRI谱图(图片来自网络)

核磁共振技术不仅被应用于医疗诊断,自1938年科学家 Isidor Rabi 发现了核磁共振现象后,经过八十多年的发展,核磁共振技术已被广泛的应用于物理、化学、生物学等领域。在这些领域中用到的核磁仪器是核磁共振波谱仪(NMR Spectrometer),根据被检测化合物的状态,核磁共振波谱仪又可分为固体核磁共振仪和液体核磁共振仪。NMR波谱仪可以观测分子的微观结构、分子运动,鉴定蛋白质的结构和功能等,像一个超大倍数的放大镜,帮助我们在微观的分子世界里一窥究竟。

 

图3 (左)600M固体核磁共振波谱仪;(右)500M液体核磁共振波谱仪。

图片摄于中国科学院上海有机化学研究所公共技术服务中心。

到这里大家可能会有个疑问:化学元素周期表中的118个元素都可以进行核磁共振测试么?并不是,需要遵循一个原则:在磁场中能够产生核自旋现象的原子核才能产生核磁共振信号。简单的理解核自旋现象,我们可以将原子核看作是一个核电荷均匀分布的球体,它像陀螺一样进行旋转就是核自旋现象。若原子核存在自旋,则会产生核磁矩,在磁场中用特定频率射频脉冲去“刺激”原子核,它就会“生气”。在化学周期表中具有核磁矩的元素有88种,1H13C 19F 15N31P等原子核都有核磁矩,这些原子是有机和无机化学材料的重要组成元素,因此它们是核磁共振波谱仪研究的主要对象。

 

图4 抗高血压药物缬沙坦分子的13C固体核磁共振谱图

由于检测对象的不同,核磁共振波谱仪的外观设计以及谱图都与MRI有所不同。当我们用NMR波谱仪扫描化学物质时,会得到一个无线电波的谱线图。我们以13C核为例,由于化合物中存在许多种官能团,例如-CH3、-COOH等。在这些官能团中,13C原子与其它原子核之间通过化学键相连,由于连接原子的种类以及连接方式的不同,不同官能团中13C的核外电子云会发生不同程度的形变,进而影响了核自旋,最终导致NMR谱图中信号峰出现的位置即化学位移的不同。因此我们可以利用NMR谱图中的化学位移推断出官能团的种类,且峰宽、峰形也包含了官能团的运动以及结构信息。所以核磁共振是科学家解开未知化合物结构谜题的得力助手。

 

图5 有机物的官能团在13C NMR谱图中的化学位移(图片来源:https://organicchemistrydata.org)

NMR波谱仪的磁场强度越强,得到的谱图分辨率也越高。随着NMR技术壁垒的攻克,波谱仪的超导磁场强度也在不断地突破极限,目前最新型的超高磁共振波谱仪的磁场强度为28 T。如此强大的磁场帮助科学家实现了在接近生理条件下研究蛋白的结构和功能。马克斯-普朗克研究所(MPI)和德国神经退行性疾病中心(DZNE)的科学家们就在利用这台超高场核磁共振仪研究新冠病毒的核壳蛋白(N),他们发现当病毒进入宿主细胞时,新冠肺炎病毒核壳(N)蛋白和宿主核糖核酸(RNA)会发生凝结,形成类似于无膜细胞器的微小液滴,这一研究发现让我们对新冠病毒如何复制有了新的认识。

核磁共振仪还可以用于勘探石油、岩土工程、种子筛选、食品分析等方面,它不仅推动了先进材料科学、结构功能生物学、医学等科学领域的发展,在我们的日常生活中也扮演着越来越多的重要角色。所以下一次不要谈 “核”色变,了解了这么多核磁共振知识,应该感到“核”颜悦色吧!

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