【科學人說科學】固體核磁共振：第N感“看”世界
    主講人：孔學謙 浙大化學系研究員 
    
    讓我們把日歷調(diào)到2050年，展望一下未來人的生活：如果一個人感到身體不適，他只需掏出一個手機大小的儀器對自己快速掃描一番，人體器官影像、血液生化指標、新陳代謝狀況等全面的醫(yī)學信息便一目了然，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給醫(yī)生做出診斷。醫(yī)生呢，也可以隨時利用這個儀器監(jiān)測藥物的作用部位和治療效果。一個小小的儀器協(xié)助人們實現(xiàn)了精準醫(yī)療、遠程醫(yī)療的理想。當然，這只是我的一個科學“狂”想，但最有可能將此儀器變?yōu)楝F(xiàn)實的就是核磁共振技術(shù)（Nuclear Magnetic Res-onance，NMR）。
    
    核磁共振怎么“看”？
    
    提到核磁共振，你或許馬上想到醫(yī)院里巨大的圓筒形的核磁共振成像儀(MRI)。的確，核磁共振從最初作為一個物理現(xiàn)象被認知，到醫(yī)用的核磁共振成像儀協(xié)助人類進行醫(yī)療診斷，已大大造福人類，當然我們還期待它有更廣泛的應(yīng)用。這一領(lǐng)域經(jīng)過70多年的發(fā)展，已經(jīng)誕生了5次諾貝爾獎，7位諾獎獲得者。它究竟有多神奇呢？
    
    “核磁共振”中的“核”是指原子核，“磁”是指磁場。理解核磁共振的原理需要相當?shù)牧孔恿W基礎(chǔ)，但不妨礙我們對它有個感性的認識：原子核就像小磁鐵一樣具有磁性，在外界磁場中，原子核會像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)。而原子核的旋轉(zhuǎn)可以吸收和釋放特定頻率的電磁波，它與調(diào)頻廣播FM的頻率相當，我們把這個現(xiàn)象稱為核磁共振。核磁共振不但能用來分辨物質(zhì)的空間分布例如可以形成人體器官組織的影像，也可以幫你精確鑒定化學成分———每種化學或生物物質(zhì)都有其特征的核磁共振譜線，例如分析藥物的化學組成配方。
    
    與人類發(fā)明的光學、X射線、電子成像等諸多技術(shù)相比，核磁共振的優(yōu)勢很明顯，第一，核磁共振技術(shù)只用到低能量的電磁場，不損傷被測物體，人畜無害；所以核磁共振成像在醫(yī)學上是腫瘤診斷、腦科學研究的重要手段；第二，具有極高的化學分辨率。核磁共振技術(shù)在生物和化學領(lǐng)域被用來鑒定化學分子結(jié)構(gòu)和研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。核磁共振技術(shù)就像給人附上了第N感，讓人透過表象“看”到各種微觀和內(nèi)部的世界。
    
    把材料“看”個究竟
    
    在各種不同的研究對象中，我最想“看”到的是固體材料中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學反應(yīng)機理，從而為新型功能材料，新能源材料的研發(fā)提供指導(dǎo)。在加州大學伯克利分校從事博士后研究期間，我加入了美國能源部資助的重點研究團隊，團隊正在為解決發(fā)電廠的碳排放問題，開發(fā)新型材料用來捕捉收集燃燒排放的二氧化碳。課題組的負責人OmarYaghi教授，是一位材料課題組金屬有機框架材料（MOF）領(lǐng)域的創(chuàng)始人，他發(fā)明了一種全新的非常有前途的MOF材料，它布滿納米級別的微小孔道，可以像海綿一樣選擇性、高容量地吸附二氧化碳氣體。那么問題來了，這種高性能的吸附機理是怎樣的？Yaghi教授很想知道，這種材料內(nèi)部的化學官能團，是聚集在一起呢，還是分散的排列？
    
    要解決這個關(guān)鍵問題，我們必須“鉆”到材料內(nèi)部去“看”個究竟。這就好像要區(qū)分口袋里不同顏色的玻璃球———如果我把MOF材料三維結(jié)構(gòu)比作玻璃球，而官能團則是它們的顏色。常見的X光衍射，電子顯微鏡等手段，可“摸”出球的大小、位置，但無法區(qū)別球的顏色。我設(shè)計了一種特別的核磁共振方法，不但可以“看”到球的顏色，而且可以看到色彩的圖案。最終我的方法解開了有序晶體結(jié)構(gòu)中不同化學官能團的排布謎題，深入闡釋了材料納米結(jié)構(gòu)對二氧化碳吸附功能的影響。相關(guān)成果陸續(xù)在《科學》，《自然》等雜志上發(fā)表，這讓更多人認可了核磁共振對材料結(jié)構(gòu)認知的突破性貢獻。
    
    期待“看”到更多
    
    2014年9月，我辭去美國硅谷的工作，正式入職浙江大學化學系，組建全新的具有世界水平的固體核磁共振實驗室。我們實驗室的根本目標是提升核磁共振技術(shù)應(yīng)用的深度和廣度。一方面，我希望核磁共振能使材料學科研究水平由單純的結(jié)構(gòu)表征提升到對整個工作體系的全面認知。這其中的關(guān)鍵有賴于原位表征技術(shù)的突破———即在反應(yīng)進行過程中對物質(zhì)進行直接研究，從而得到全面、準確、實時的信息。我們實驗室正在著手構(gòu)建這樣的原位核磁共振系統(tǒng)，將具備流動態(tài)，變溫，光照等多種特殊功能。另一方面，我希望核磁共振成為學術(shù)界、工業(yè)界乃至日常生活中可以大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。我們正在致力于推進核磁共振技術(shù)的小型化、便攜化，讓小型核磁系統(tǒng)能夠媲美巨大且昂貴的超導(dǎo)核磁共振儀，在科學研究中發(fā)揮更大的作用。
    
    核磁共振是一個持續(xù)快速發(fā)展的學科，新的技術(shù)不斷出現(xiàn)。超導(dǎo)磁場的強度正在不斷突破極限；新型的脈沖序列不斷推出，將核磁共振的功能不斷拓展；新型的超極化方法正在研制之中，可將核磁共振靈敏度提升成千上萬倍；在醫(yī)學上，新的核磁造影劑可以標記病變細胞組織，提升成像精度；在物理學上，核磁共振被用作量子計算的載體；傳統(tǒng)的能源行業(yè)也在應(yīng)用核磁技術(shù)勘探石油天然氣……毋庸置疑，核磁共振必將在未來的科學研究和人民生活中扮演越來越重要的角色，我希望我的實驗室能在核磁共振技術(shù)的進化過程中發(fā)揮推動作用，并期待有一天開文所描繪的情景變?yōu)楝F(xiàn)實。
    
    （周煒）