核磁共振的發展

 
2018/07/31 黃信哲 | 台灣神隆股份有限公司     372

 

過去半個世紀以來,核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)是化學家不可或缺的分析工具,已成為化學家瞭解化合物結構的「眼睛」。除了結構鑑定,因為其即時且非破壞性的特性,亦常被應用在研究反應動力學及分子間交互作用。在化學以外的領域,NMR與X射線晶體繞射同為生物學家解密蛋白質結構的重要方法;另基於NMR原理的磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI),則是醫學診斷不可或缺的工具,原本是與化學、生物學及醫學影像等都沒什麼關聯的量子物理基礎研究。

 

20世紀初理論物理學正處於一個積極發展的年代,由於美國的物理學界一直以來重視實用與實驗主義,理論物理的發展則以歐洲較為領先。在第一次世界大戰後的1920年代,美國政府與慈善團體(如洛克菲勒基金會)因為意識到潛艦偵測技術及遠距離雷達的重要性,進而開始重視物理學研究。伊西多·艾薩克·拉比(Isidor Isaac Rabi)如同時期的物理學博士生一樣,注視著歐洲物理學界在理論物理領域掀起一波接一波的浪花。當時的拉比對量子物理亦抱持著懷疑,直到1922年Stern與Gerlach的實驗證實了原子角動量為量子化,這個實驗徹底說服他 --〝古典物理已經出局〞的想法。面對量子物理的謎團所需要全新的理論,也促成Rabi在博士畢業之後前往歐洲跟隨大師學習,並將理論物理帶回美國的決心。[1]

 

在量子物理中,粒子具有「自旋」的內在性質,雖然沒有古典的對應,但仍可以想像為粒子依軸自轉;如同古典物理中轉動的物體,帶電粒子的自旋伴隨著磁偶極矩(magnetic dipole moment,或簡稱magnetic moment,磁矩),因此,粒子可以被想像為迷你磁鐵。在古典物理中,磁矩具有方向性;在量子物理中自旋具有的方向性是由外加磁場決定的,然而根據量子物理的預測,粒子自旋在該方向的大小是量子化的,也就是只能是一定數量的定值。

 

在Stern–Gerlach實驗中,他們讓銀原子射線束穿過一個不均勻的磁場,然後擊中後方的玻璃。在不均勻的磁場中,不同自旋方向的粒子會受到不同強度的力,而導致運動軌跡偏折(deflection)。若粒子符合古典物理,則自旋能擁有隨機的各種方向,故在玻璃上會看到銀原子撞擊形成斑點呈現連續性的分佈。然而,當實驗發現粒子通過Stern–Gerlach裝置後,只發生上或下兩種偏折,由此證實粒子的自旋角動量是量子化的。[2, 3]

 

(影片來源:Wikipedia 作者 Jubobroff,CC授權。)

 

結束在歐洲的遊歷後,Rabi任教於哥倫比亞大學,並活用與Stern曾一起進行過粒子射線實驗的經歷,Rabi在1931年開始了自己的粒子射線的實驗。基於Stern–Gerlach實驗的設計,Rabi希望能更進一步偵測原子核的磁偶極矩。然而,因為原子的磁偶極矩強度是原子核的2,000倍,要以Stern–Gerlach實驗的原始設計來偵測到原子核的磁偶極矩就如同想要在烈日下找尋星星的微弱光芒一樣困難。

 

在Stern–Gerlach實驗中,他們使用一個強磁場來偏折粒子射線束。因為強磁場會同時作用在原子及原子核的磁偶極矩上,使99.95%的偏折力道都由原子的磁矩貢獻,導致無從觀察到原子核的磁矩。Rabi和Gregory Breit(時任紐約大學物理教授)合作,計算並預測出在弱磁場情況下,微弱的原子核磁矩和強大的原子磁矩形成的偏折譜線可以有效被區分開來。[4]

 

根據數學計算的成果,博士生Victor W. Cohen協助Rabi在實驗室裡架設了一個經修改過的Stern–Gerlach實驗系統,該系統由3個強弱不一的磁場組成,可以精細的偏折並對焦粒子數。一天早上,在實驗室成員及Rabi的注視下,Cohen啟動電源,一束鈉原子射線進入他們的裝置,被偏折成4個子射線(beamlets),顯示鈉原子的核自旋為 3/2。[1] 這是歷史上第一次測量出一個原子核自旋的值,該研究於1934年發表於《物理評論》(Physical Reviews)。[5]

 

Rabi並未止步於此,原子核自旋的成果令他聲名大噪並吸引許多博士後與博士學生新血的加入,他們更進一步發展了「零磁矩法」(zero-moment method),除了可以得到核自旋量子數,還能測量出核磁矩(nuclear magnetic dipole moment)的值。這個方法同樣是根據Breit-Rabi理論,它預測在某個特定的磁場強度下,粒子的有效磁矩為零,因此粒子數不會發生偏折。為了精確知道不發生偏折時的磁場強度,他們使用電磁鐵取代永久磁鐵,因為只需知道線圈電流與粒子束和電磁鐵間的距離,就能計算出粒子數感受到的磁場強度。儘管很新穎,但這個方法在測量核磁矩的精確度卻比不上 同一時期發展出來的重聚焦法(refocusing method),因為這個方法讓粒子通過兩個方向相反的磁場,經過兩次偏折後讓特定自旋的粒子重新聚焦到偵測器,減少偏折時的分散而提高了精確度。[1, 6] 經歷這麼多的實驗,Rabi和他的團隊精通如何精確的控制粒子束,藉由在正確的位置擺放磁場、阻擋物、狹縫,甚至調控電磁鐵,就能篩選出特定的子射線進行實驗。

 

Stern曾做過實驗發現如果讓粒子穿過一連串方向交錯的磁場,只要速度夠快,其自旋便能被翻轉。Rabi在1936年寫了一篇探討自旋翻轉(spin flip)的論文,在文中Rabi深入計算並預測:因為粒子的自旋磁矩在外部磁場下會依著磁場方向行拉莫爾進動(Larmor precession),若外部磁場震盪頻率與磁矩進動的速率(即Larmor frequency)同步,便有很高的機會能使自旋的方向翻轉。這也是核磁共振理論第一次被提出。[7]

 

由於Rabi團隊已有豐富的粒子束經驗,要將Rabi的理論化為實際並非難事,後來在來自荷蘭的訪問學者C. J. Gorter的建議下,實驗室成員P. Kusch、S. Millman及J. R. Zacharias等人很快的在一個重聚焦法裝置的兩個磁場中間,加入第三個磁場,這個磁場中還有一個線圈連接到頻率震盪器。博士生Millman以LiCl粒子束進行實驗,他先將三個的磁場電源都關閉,讓粒子穿越整個裝置就直接抵達偵測器,看見訊號代表儀器已準備就緒,接著啟動重聚焦的兩個磁場,LiCl粒子束先穿過第一個磁場受到偏折,篩選出特定自旋的粒子,再被第二個磁場重新聚焦回到偵測器。接著,震盪器被啟動並以固定的頻率運作,此時偵測器仍然顯示強烈的粒子束訊號。但隨著Millman啟動震盪線圈外的電磁鐵並調整轉盤提高電流(提高磁場),偵測器的反應漸漸減弱並在116安培到達最低點(代表在這個磁場強度下Larmor frequency與外在震盪磁場同步,使大部分的粒子自旋翻轉而無法被聚焦回到偵測器),但是當電流再往上提高,偵測器的訊號則再次出現。於是,藉由固定頻率調整磁場的方式,首次觀測到核磁共振。此項實驗成果於1938年發表,它的重要性讓Rabi獲得1944年諾貝爾物理學獎,但沒有人預料到核磁共振在接下來的數十年會被拓展到物理以外的各式領域,包含化學、生物學及醫學,並在科學界開啟了新時代 [8],可從本文參考資料中查看LiCl核磁共振實驗的經典圖表。

 

Rabi的實驗僅僅是NMR的第一步,從測量核磁共振到真正的應用還有漫漫長路。第二次世界大戰後,於1946年Edward Purcell與Felix Bloch各自獨立完成了固態與液態樣品的核磁共振實驗,由於不再像Rabi原始的設計需使用粒子射線束,讓NMR開始有應用的可能(兩人於1952年共同獲得諾貝爾物理學獎)。1950年代,有機化學家開始注意到NMR用於分析小分子化合物結構的實用性,這段時間NMR被商業化,並真正被化學界應用。1965年中期,超導電磁鐵的發展讓NMR儀器擁有更強大的磁場(鐵質電磁鐵只能提供2.35特斯拉的磁場,約等同100 MHz [10]),解析度因而大幅提高,發展至今磁場強度高達1 GHz的NMR已經被商品化。 同樣在1960年代,傅立葉轉換NMR(FT-NMR)的發展取代頻率掃描法,大幅提高訊雜比並縮短分析樣品所需的時間。有了強大的磁場、成熟的FT-NMR及二維NMR光譜,讓NMR得以被應用於解析生物巨分子(例如蛋白質、多醣)的結構。1980年代起,NMR被用於醫學影像,稱作磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)。由於生物體內不同組織的水含量稍有不同,因此能以不同的電磁脈衝激發來區分。MRI讓NMR的應用走入大眾,畢竟對於一般人而言,比起在學校儀器室測NMR光譜,在醫院接受MRI檢查的機會要來的大得多。因此,幾乎每一間醫院都有使用MRI,使得MRI成為比化學家使用的NMR光譜儀有其更為龐大的市場。[9]

 

Rabi臨終前幾週,醫師曾為他安排MRI檢查。「這感覺真是詭異,」Rabi說道,「我在那機器裡看到我自己(的體內),我從沒想過我的研究會被發展到這個地步。」(I saw myself in that machine... I never thought my work would come to this.)。

 

(本文由科技部「主題科學傳播」執行團隊撰稿)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學