核磁共振如何探測分子結構？張朝陽解讀核磁共振原理

封面新聞記者 吳雨佳

粒子自旋為何繞恒定磁場旋轉，又為何在圓磁場驅動下頻頻點頭？如何直觀地理解核磁共振的產生機制？又如何實現和利用核磁共振？為什麼說核磁共振是當代有機化學家和醫師的“超級慧眼”？

6月19日，搜狐創始人、董事局主席兼首席執行官、物理學博士張朝陽為大家講解粒子自旋在不同磁場中如何演化。通過詳細計算，張朝陽瞭解到，在一個方向週期性變化的圓磁場驅動下，粒子自旋將取向將出現共振現象，以這一現象為基礎可以發展出當代核磁共振技術，通過分析核磁共振頻譜譜峰的偏移、強度和劈裂，可以對有機物的成鍵結構進行直接探測。

課程一開始，張朝陽簡要回顧了著名的斯特恩-蓋拉赫實驗，以及由此衍生出的對粒子自旋與磁場相互作用的研究。他指出，研究自旋需要利用以線性代數為核心的量子力學的矩陣形式。借助線性代數運算，張朝陽計算了任意方向的自旋算符的本征態，發現它可以由兩個角度參數表徵。於是，張朝陽介紹了一套以單位方向矢量表徵直觀自旋態的圖像，使得後面對自旋的演化的討論變得如此直觀。

輔以圖像化的表達方式，張朝陽首先討論了自旋在單個恒定磁場下的拉莫進動現象，以及再加入恒定擾動磁場下的瘋狂兔子振盪現象。緊接著，他分析了一個方向在xy平面上勻速旋轉的擾動磁場對自旋的作用。通過巧妙地”坐標系變化“，張朝陽獲得了含時薛定諤方程的解，發現此時擾動磁場旋轉的角速度和恒定磁場的拉莫頻率之間會發生共振。共振（ω=ω0）時，在“旋轉坐標系”下與自旋對應的單位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫進動，認為B0消失了。在它的視角，它僅繞橫向（Transverse）磁場B1進動，此時上下態概率振幅相等。

而在不嚴格共振（ω接近ω0但不相等）時，自旋“感受到”的磁場是橫向磁場B1，一個強度很弱，方向沿z軸正方向的等效磁場之和，自旋對應的單位矢量將繞著這個和磁場所代表的矢量做進動，即，可以理解為是B1在微微抬頭。

此後，張朝陽進一步討論了如何在實踐中利用這個理論計算得到的共振現象。事實上，它即是現代核磁共振計算的理論基礎。張朝陽解讀道，在利用核磁共振探測時，需要首先將樣品放置在一個1.5T甚至3T的磁場中，使得樣品中氫核的自旋達到熱平衡。此後，再對樣品世家一個頻率在無線電頻率範圍內的圓磁場脈衝，使得氫核地自旋將被極大地翻轉。

在撤去磁場後，由於氫核自旋在xy平面上的不同取向之間不具有能量差，於是它們很快地弛豫到平衡態，這個過程被稱為退相位化（Dephasing）過程，它的時間是系統的參數，稱為弛豫時間（Relaxation time）T2。在弛豫時間內，由於電子雲的屏蔽效應將削弱氫核所感知到的磁場強度，不同位置的氫質子有著微微不同的拉莫頻率ω~0~，進而如果對橫向線圈里的動生電動勢曲線作傅里葉分析，可以預期能看到多個分佈在不同頻率處、強度不等的譜峰。進一步如果鄰近處存在多個氫核，對應頻率的譜峰會發生劈裂。總而言之，核磁共振頻譜的譜峰偏移、強度和劈裂，正對應著有機物的結構分佈，可以作為精細探針幫助我們“看到”有機物的具體化學結構。