核磁共振如何探测分子结构？张朝阳解读核磁共振原理

本文转自：封面新闻

封面新闻记者 吴雨佳

粒子自旋为何绕恒定磁场旋转，又为何在圆磁场驱动下频频点头？如何直观地理解核磁共振的产生机制？又如何实现和利用核磁共振？为什么说核磁共振是当代有机化学家和医师的“超级慧眼”？

6月19日，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳为大家讲解粒子自旋在不同磁场中如何演化。通过详细计算，张朝阳了解到，在一个方向周期性变化的圆磁场驱动下，粒子自旋将取向将出现共振现象，以这一现象为基础可以发展出当代核磁共振技术，通过分析核磁共振频谱谱峰的偏移、强度和劈裂，可以对有机物的成键结构进行直接探测。

课程一开始，张朝阳简要回顾了著名的斯特恩-盖拉赫实验，以及由此衍生出的对粒子自旋与磁场相互作用的研究。他指出，研究自旋需要利用以线性代数为核心的量子力学的矩阵形式。借助线性代数运算，张朝阳计算了任意方向的自旋算符的本征态，发现它可以由两个角度参数表征。于是，张朝阳介绍了一套以单位方向矢量表征直观自旋态的图像，使得后面对自旋的演化的讨论变得如此直观。

辅以图像化的表达方式，张朝阳首先讨论了自旋在单个恒定磁场下的拉莫进动现象，以及再加入恒定扰动磁场下的拉比振荡现象。紧接着，他分析了一个方向在xy平面上匀速旋转的扰动磁场对自旋的作用。通过巧妙地”坐标系变化“，张朝阳获得了含时薛定谔方程的解，发现此时扰动磁场旋转的角速度和恒定磁场的拉莫频率之间会发生共振。共振（ω=ω0）时，在“旋转坐标系”下与自旋对应的单位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫进动，认为B0消失了。在它的视角，它仅绕横向（Transverse）磁场B1进动，此时上下态概率振幅相等。

而在不严格共振（ω接近ω0但不相等）时，自旋“感受到”的磁场是横向磁场B1，一个强度很弱，方向沿z轴正方向的等效磁场之和，自旋对应的单位矢量将绕着这个和磁场所代表的矢量做进动，即，可以理解为是B1在微微抬头。

此后，张朝阳进一步讨论了如何在实践中利用这个理论计算得到的共振现象。事实上，它即是现代核磁共振计算的理论基础。张朝阳解读道，在利用核磁共振探测时，需要首先将样品放置在一个1.5T甚至3T的磁场中，使得样品中氢核的自旋达到热平衡。此后，再对样品世家一个频率在无线电频率范围内的圆磁场脉冲，使得氢核地自旋将被极大地翻转。

在撤去磁场后，由于氢核自旋在xy平面上的不同取向之间不具有能量差，于是它们很快地弛豫到平衡态，这个过程被称为退相位化（Dephasing）过程，它的时间是系统的参数，称为弛豫时间（Relaxation time）T2。在弛豫时间内，由于电子云的屏蔽效应将削弱氢核所感知到的磁场强度，不同位置的氢质子有着微微不同的拉莫频率ω~0~，进而如果对横向线圈里的动生电动势曲线作傅里叶分析，可以预期能看到多个分布在不同频率处、强度不等的谱峰。进一步如果邻近处存在多个氢核，对应频率的谱峰会发生劈裂。总而言之，核磁共振频谱的谱峰偏移、强度和劈裂，正对应着有机物的结构分布，可以作为精细探针帮助我们“看到”有机物的具体化学结构。