核磁共振

1924年，沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Ernst Pauli）提出了“泡利不相容原理”，即没有两个电子可以在同一时间共享相同的量子态[1]。这对于后来发现核磁共振现象，并完善核磁共振理论原理非常重要，泡利也因此获得了1945年的诺贝尔物理学奖[2]。1925年，乔治·尤金·乌伦贝克（George Eugene Uhlenbeck）和塞缪尔·亚伯拉罕·古德斯米特（Samuel Abraham Goudsmit）受“泡利不相容原理“启发，提出了原子自旋概念[3]。接下来，泡利在乌伦贝克与古兹密特工作的基础上，完善了原子自旋描述的“泡利矩阵”[4]。

1939年，伊西多·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi）通过试验高温蒸发后的物质观测到了核磁共振现象，但是这种高温蒸发过程破坏了凝聚物质的宏观结构，因而在实际应用中受到了很大的限制。尽管如此，拉比还是因这一发现获得了1944年的诺贝尔物理学奖[5]。1945年底，美国哈佛大学的爱德华·米尔斯·珀赛尔（Edward Mills Purcell）在石蜡样品中观测到稳态的核磁共振信号。1946年初，斯坦福大学的费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）在水中观测到了稳态的核磁共振现象，珀赛尔与布洛赫因为这一发现而分享了1952年诺贝尔物理学奖。[6][7]

至此，核磁共振技术实现了在不破坏物质结构的前提下迅速、准确地了解物质内部结构的测量目标。

1969年，纽约州立大学南部医学中心的雷曼·达马迪安（Raymond Damadian）通过监测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来。在达马迪安新技术的启发下，1971年纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特布尔（Paul Lauterbur）利用核磁共振对两个装满水的试管进行成像，产生了人类历史上第一个张核磁共振图像。1972年，英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）发现，通过增加核磁共振的外部磁场梯度，可以观察到化学物质的原子结构，并且创建三维图像。1973年，劳特布尔应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像[8]。劳特布尔和曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献，获得了2003年诺贝尔生理学或医学奖。[9]

核磁共振儀是靠著超導線圈來運作的，需要在極低温的工作環境下才可運作。圖為正在幫核磁共振儀增添冷卻用的液態氮

NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。对于有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在¹H和¹³C两类原子核的图谱。

对于孤立原子核而言，同一种原子核在同样强度的外磁场中，只对某一特定频率的射频场敏感。但是处于分子结构中的原子核，由于分子中電子雲分布等因素的影响，实际感受到的外磁场强度往往会发生一定程度的变化，而且处于分子结构中不同位置的原子核，所感受到的外加磁场的强度也各不相同，这种分子中電子雲对外加磁场强度的影响，会导致分子中不同位置原子核对不同频率的射频场敏感，从而导致核磁共振信号的差异，这种差异便是通过核磁共振解析分子结构的基础。原子核附近化学键和电子云的分布状况称为该原子核的化学环境，由于化学环境影响导致的核磁共振信号频率位置的变化称为该原子核的化学位移。

耦合常数是化学位移之外核磁共振谱提供的的另一个重要信息，所谓耦合指的是临近原子核自旋角动量的相互影响，这种原子核自旋角动量的相互作用会改变原子核自旋在外磁场中进动的能级分布状况，造成能级的裂分，进而造成NMR谱图中的信号峰形状发生变化，通过解析这些峰形的变化，可以推测出分子结构中各原子之间的连接关系。

最后，信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息，处于相同化学环境的原子核在核磁共振谱中会显示为同一个信号峰，通过解析信号峰的强度可以获知这些原子核的数量，从而为分子结构的解析提供重要信息。表征信号峰强度的是信号峰的曲线下面积积分，这一信息对于¹H-NMR谱尤为重要，而对于最常见的全去耦¹³C-NMR谱而言，由于峰强度和原子核数量的对应关系并不显著，因而峰强度并不非常重要。

早期的核磁共振谱主要集中于氢谱，这是由于能够产生核磁共振信号的¹H原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。随着傅立叶变换技术的发展，核磁共振仪可以在很短的时间内同时发出不同频率的射频场，这样就可以对样品重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号从背景噪音中区分出来，这使得人们可以收集¹³C核磁共振信号。

近年来，人们发展了二维核磁共振谱技术，这使得人们能够获得更多关于分子结构的信息，目前二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。

人脑MRI断层扫描图像

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）[註 1] （页面存档备份，存于）技术是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。

与用于鉴定分子结构的核磁共振谱技术不同，磁共振成像技术改变的是外加磁场的强度，而非射频场的频率。磁共振成像仪在垂直于主磁场方向会提供两个相互垂直的梯度磁场，这样在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化，每一个位置都会有一个强度不同、方向不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得水分子在空间中分布的信息，从而获得人体内部结构的图像。

磁共振成像技术还可以与X射线断层成像技术（CT）结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据。

磁共振成像技术是一种非介入探测技术，相对于X-射线透视技术和放射造影技术，MRI对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用。

由于原理的不同，CT对软组织成像的对比度不高，MRI对软组织成像的对比度大大高于CT。这使得MRI特别适用于脑组织成像。由MRI获取的图像，通过DSI技术，可以得到大脑神经网络的结构图谱，近年来，发表了一系列论文。

磁共振探测（magnetic resonance sounding, MRS）或磁共振测深[10]是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。

目前磁共振探测技术已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中，但是相对于传统的钻探探测，磁共振探测设备购买、运行和维护费用非常高昂，这严重地限制了MRS技术在地质科学中的应用。