二戰(zhàn)前后核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展

1、二戰(zhàn)前后核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展1 二戰(zhàn)結(jié)束之前核磁共振實(shí)驗(yàn)的發(fā)展1.1 核磁共振研究的開端，這個(gè)時(shí)期主要以物理學(xué)的純基礎(chǔ)理論研究為特征自從19世紀(jì)末，20世紀(jì)初人類對(duì)于微觀世界的科學(xué)探究真正起步后，不論是在實(shí)驗(yàn)還是在理論方面都在不斷取得突破和進(jìn)展。正如麻省理工學(xué)院物理系電子研究實(shí)驗(yàn)室的丹尼爾#克萊普納（DanielKleppner）所說，20世紀(jì)初那些深刻改變了我們的世界觀的，物理學(xué)天才們的思想和成就，主要是建立在當(dāng)時(shí)重要的物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之上的1.可以說，物理實(shí)驗(yàn)是物理基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和發(fā)展的主要源泉和基礎(chǔ)。核磁共振研究應(yīng)當(dāng)說是從斯特恩（Otto Stern）的分子束實(shí)驗(yàn)開始的。1912年，斯特恩從

2、德國的布雷斯勞大學(xué)（University of Breslau）獲得物理化學(xué)博士學(xué)位后，作為愛因斯坦的助手，追隨愛因斯坦，先后到過布拉格大學(xué)和蘇黎世大學(xué)任教。1914他開始在法蘭克福大學(xué)工作，職務(wù)是理論物理學(xué)的無薪教師（Privatdocent），服兵役歸來后，1919年斯特恩在法蘭克福大學(xué)開始和玻恩一起工作，玻恩時(shí)任該校理論物理系主任。就在這一年，斯特恩觀察到，注入高真空室內(nèi)的原子或分子沿直線運(yùn)動(dòng)，形成一束粒子流，在某些方面類似于光束。使斯特恩成名的實(shí)驗(yàn)工作就是由此發(fā)展起來的。1919年，斯特恩對(duì)銀原子束首次應(yīng)用了這一方法，以檢驗(yàn)1850年前后氣體中分子速率的理論計(jì)算結(jié)果。1920年，斯特恩

3、在他的助手彼得#勒特斯和蓋拉赫的幫助下，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)無可辯駁地說明了在外加非均勻磁場(chǎng)的作用下，原子的空間取向是量子化的，并測(cè)量出了質(zhì)子這一亞原子粒子的磁矩。這就是非常著名的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)，斯特恩也因此在1943年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2.當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，玻恩所主持的物理系資金異常緊張。從1920年1月始，玻恩連續(xù)面向公眾做了多次有償?shù)年P(guān)于愛因斯坦廣義相對(duì)論的報(bào)告，從中得到了約七千馬克的收入3.有了這筆資金作保證，斯特恩的實(shí)驗(yàn)才得以正常進(jìn)行。美國著名科學(xué)史家和科學(xué)哲學(xué)家?guī)於髟?962年對(duì)于斯特恩的訪談4,印證了斯特恩當(dāng)年的科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)完全是基于對(duì)于物質(zhì)世界的本質(zhì)進(jìn)行探究的好奇

4、心的，很顯然他沒有也不可能預(yù)見到核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)于當(dāng)今人類生產(chǎn)和生活的巨大影響。1.2 核磁共振實(shí)驗(yàn)研究在美國的發(fā)展，核磁共振開始向應(yīng)用研究發(fā)展1927年6月，申請(qǐng)到哥倫比亞大學(xué)赴歐留學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金的拉比（Isidor Isaac Rabi）攜妻子海倫踏上了赴歐求學(xué)之路。當(dāng)時(shí)，斯特恩已成為了漢堡大學(xué)的物理化學(xué)教授和實(shí)驗(yàn)室主任，并且創(chuàng)建了頗有影響的分子束實(shí)驗(yàn)室。見到斯特恩后，拉比將自己對(duì)于分子束實(shí)驗(yàn)的一個(gè)改進(jìn)思想告訴了斯特恩，斯特恩立即建議拉比在他的分子束實(shí)驗(yàn)室里將這一想法付諸實(shí)踐。拉比在均勻磁場(chǎng)中完成了他的第一個(gè)分子束實(shí)驗(yàn)。1929年回到美國后，在哈羅德#尤里（Harold Urey）的幫助下，拉比在

5、哥倫比亞大學(xué)創(chuàng)建了分子束實(shí)驗(yàn)室。5從此，原本專攻理論物理的拉比開始了他一系列成就非凡的核磁共振實(shí)驗(yàn)研究。1944年，拉比由于發(fā)明了精確測(cè)定一些核磁屬性的方法而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到這個(gè)時(shí)候，世界上仍沒有將核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究發(fā)展的端倪出現(xiàn)。在二戰(zhàn)之前，美國政府對(duì)科技活動(dòng)的支持僅限于個(gè)別領(lǐng)域，對(duì)全國科技如何發(fā)展，政府并沒有形成全面影響的指導(dǎo)政策?；A(chǔ)研究是以民間支持自由發(fā)展為主，政府的功能主要體現(xiàn)在立法上。在憲法中規(guī)定了要保護(hù)發(fā)明人的權(quán)益。1790年制定了保護(hù)專利的第一部法律。1802年成立了聯(lián)邦專利局。1862年林肯政府通過了5土地贈(zèng)與法案6（The Land Grant Act），

6、寬泛地鼓勵(lì)對(duì)教育和研究事業(yè)的支持?？偟膩碚f，二戰(zhàn)前美國基本談不上什么系統(tǒng)的科技政策，政府主要是對(duì)農(nóng)業(yè)部門進(jìn)行適度的支持6.而哥倫比亞大學(xué)是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴歐留學(xué)是一種在當(dāng)時(shí)的政策大環(huán)境下的個(gè)人行為。1963年12月庫恩對(duì)他進(jìn)行訪談時(shí)，拉比回憶說，他認(rèn)為在他去歐洲之前，美國本土并沒有幾個(gè)真正懂量子力學(xué)的物理學(xué)家，他到歐洲學(xué)習(xí)的主要志向就是要改變美國物理學(xué)落后的現(xiàn)狀的9.在得到在美國訪問的海森堡的推薦，回到哥倫比亞大學(xué)當(dāng)講師后，拉比能建立分子束實(shí)驗(yàn)室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey,一個(gè)1934年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的化學(xué)家）的慷慨捐助。尤里將自己7600美元的諾貝爾獎(jiǎng)金的

7、一半給了資金遇到困難的拉比，他對(duì)別人說：/那個(gè)人（拉比）將會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)07.2 二戰(zhàn)結(jié)束之后核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2.1 核磁共振開始真正進(jìn)入實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域接下來對(duì)核磁共振研究的理論和實(shí)驗(yàn)作出卓越貢獻(xiàn)的物理學(xué)家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward Mills Purcell）。與拉比一樣，珀塞爾成長(zhǎng)于美國本土，作為交換生，1934年珀塞爾到德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟隨光譜學(xué)教授衛(wèi)澤爾（Walter Witzel）學(xué)習(xí)了一年?；貒螅?938年在哈佛獲得了博士學(xué)位。布洛赫出生于瑞士的一個(gè)猶太人家庭，1928年，

8、在萊比錫師從海森堡獲得了理論物理學(xué)的博士學(xué)位。1933年，迫于形勢(shì)，移居美國接受了斯坦福大學(xué)的一個(gè)教職。二戰(zhàn)是美國科技政策的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。二戰(zhàn)期間，美國政府向麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室（Radiation Laboratory）注入資金，羅斯福總統(tǒng)任命萬尼瓦爾#布什為這一實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)人，率領(lǐng)一大批物理學(xué)家從事軍事研發(fā)的工作，這其中就包括拉比、布洛赫和珀塞爾。這一實(shí)驗(yàn)室無疑對(duì)美國在戰(zhàn)后物理學(xué)的研究和發(fā)展影響深遠(yuǎn)，意義重大。也正是這一時(shí)期與拉比等物理學(xué)家的合作和交往為布洛赫和珀塞爾在核磁共振領(lǐng)域的研究和貢獻(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1945年二戰(zhàn)剛結(jié)束，分別回到斯坦福和哈佛的布洛赫和珀塞爾就同時(shí)用新的方法

9、，在精確測(cè)定物質(zhì)的核磁屬性方面取得了突破和進(jìn)展8,并因此而共同榮獲了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。要強(qiáng)調(diào)的是，他們的核磁共振研究并沒有政府行為的影響，而且研究所需的經(jīng)費(fèi)也不是從政府或是有利益訴求的投資方來取得的。布洛赫回憶說，當(dāng)他們想在斯坦福建造一臺(tái)回旋加速器和購置一些設(shè)備時(shí)，首先碰到的就是資金來源問題，他們甚至沒有得到校方的任何支持和幫助，而最終是從洛克菲勒基金會(huì)（Rockefeller Foundation）獲取到了資助，而洛克菲勒基金會(huì)的宗旨是為了/促進(jìn)全人類的安康0而進(jìn)行無償援助的。并且當(dāng)時(shí)基金會(huì)的管理人員也完全清楚布洛赫他們是以純基礎(chǔ)科學(xué)研究為目的的9.那么同樣，當(dāng)時(shí)他們從事核磁共振研究

10、的資金也主要是自籌為主。1946年，幫助軍方研究微波雷達(dá)的拉塞爾#瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作為物理學(xué)教授漢森的實(shí)驗(yàn)助手，他卻敏銳地意識(shí)到了核磁共振技術(shù)在化學(xué)分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，捕捉到了其商機(jī)所在。雖然布洛赫和漢森對(duì)此并不以為然，可瓦里安還是促使他們兩人在1948年共同取得了這一技術(shù)的專利權(quán)。同年4月，瓦里安兄弟倆共同創(chuàng)建了以核磁共振技術(shù)應(yīng)用為目的的瓦里安公司。就在布洛赫和珀塞爾獲獎(jiǎng)的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一臺(tái)商用核磁共振波譜測(cè)定儀（Varian HR-30），同年9月，這臺(tái)儀器在德州貝城市的一家石油公司（Humble Oil company）投

11、入使用。在諾貝爾頒獎(jiǎng)宴會(huì)演說（Banquet Speech）中，珀塞爾表達(dá)了對(duì)和他共同研究這一課題的一些國內(nèi)及國際同行的感激，介紹了他們的一些重要研究成果。并由衷贊賞了科學(xué)家同行們?cè)诠餐芯繂栴}時(shí)，互相之間毫無保留的無私精神10.這也從一個(gè)側(cè)面反映了當(dāng)時(shí)布洛赫及其他科學(xué)家的研究在主觀上是排除技術(shù)創(chuàng)新或是任何商業(yè)動(dòng)機(jī)在外的。2.2 核磁共振技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)展和應(yīng)用的全面繁榮20世紀(jì)50年代，核磁共振在理論上也不斷取得突破和創(chuàng)新，比如在分析和解釋弛豫現(xiàn)象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程（Bloch equa-tions），1955年所羅門提出的所羅門方程（Solomonequations）

12、和1957年雷德菲爾德理論（Redfield the-ory）等11.從第一臺(tái)商用核磁共振波譜測(cè)定儀誕生之后起，核磁共振技術(shù)就迅速向應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破和進(jìn)展。而這些進(jìn)展則幾乎都和一些科技公司或是技術(shù)創(chuàng)新的訴求相聯(lián)系，已不再像早期發(fā)展的那樣，主要是以基礎(chǔ)科學(xué)研究為目的了。1962年，世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁體的核磁共振波譜測(cè)定儀在瓦里安公司誕生。1965年，在瓦里安公司工作的恩斯特（RichardR Ernst）提出了利用核磁共振技術(shù)來測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新方法，將傅立葉變換方法真正引入到了核磁共振技術(shù)中，相對(duì)于化學(xué)界所使用的傳統(tǒng)光譜學(xué)方法，這一創(chuàng)新數(shù)十甚至數(shù)百倍地提高了物質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定的敏感度。1966

13、年到1968年間，為了用傅立葉變換方法處理大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)引入到了核磁共振的數(shù)據(jù)處理和程序控制當(dāng)中。1970年，世界上第一臺(tái)用于商業(yè)化目的的超導(dǎo)磁體傅立葉變換核磁共振波譜測(cè)定儀在德國的布魯克公司（Bruker Company）正式生產(chǎn)。1971年，美國科學(xué)家雷蒙德#達(dá)馬迪安（Ray-mond Damadian）在實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了腫瘤和正常組織之間核磁共振信號(hào)有明顯的差別，從而揭示了核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。1973年，保羅#勞特布爾（Paul C Lauterbur）和彼得#曼斯菲爾德（Peter Mansfield）分別獨(dú)立地發(fā)表文章，來闡述核磁共振成像的原理12 13.他們都認(rèn)

14、為用線性梯度場(chǎng)來獲取核磁共振的空間分辨率是一種有效的解決方案，因而為核磁共振成像奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。就在同一年，世界上第一幅二維核磁共振圖像產(chǎn)生。1974年，勞特布爾獲得活鼠的核磁共振圖像。1976年，曼斯菲爾德獲得世界上第一幅人體斷層像。從此，核磁共振成像技術(shù)（MRI）向醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用和其他更廣泛的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，引發(fā)了眾多學(xué)科的基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的深刻變革。20世紀(jì)80年代，在約翰#芬恩（John B Fenn）、田中耕一（Koichi Tanaka）和科特#維特里希（KurtW?thrich）等科學(xué)家的共同努力下，又成功地解決了生物大分子的核磁共振波譜測(cè)量技術(shù)，這對(duì)于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)

15、理論的研究都有不可估量的重要意義14.例如，他們的成果幾乎立即就對(duì)生物制藥領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響，特別是在20世紀(jì)90年代對(duì)艾滋病藥物的研制有突出的貢獻(xiàn)。他們也因此而榮獲了2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，核磁共振技術(shù)的發(fā)展仍然方興未艾。該技術(shù)在物理學(xué)的量子信息處理方面，在化學(xué)領(lǐng)域的分子結(jié)構(gòu)測(cè)試及有機(jī)合成反應(yīng)等方面，在心理學(xué)及精神衛(wèi)生方面，在生物和食品制造加工方面，在煤層勘探和油氣測(cè)量方面，在測(cè)井技術(shù)方面，在木材加工和處理方面，在造紙技術(shù)方面等等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的研究和突破以及應(yīng)用等方面都有著非常重要的貢獻(xiàn)和潛在的技術(shù)創(chuàng)新前景。3 結(jié)語核磁共振研究的發(fā)展歷程告訴我們，這一科學(xué)研究在不同的發(fā)展階段是呈現(xiàn)出不同的鮮明特點(diǎn)的。正因?yàn)槠湓诨A(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)煞矫嫘纬闪肆己玫碾p向互動(dòng)關(guān)系，所以在近百年來，核磁共振研究才在人類眾多研究、生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中作出卓越的貢獻(xiàn)。有統(tǒng)計(jì)表明，在諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中，屬于重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重大理論突破而獲獎(jiǎng)的比例平均在80%左右15.因此，很顯然諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的大部分是屬于基礎(chǔ)研究的。換言之，一個(gè)國家在某個(gè)時(shí)期內(nèi)所獲的諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的數(shù)量基本可以代表這個(gè)