您或您認識的人可能已經使用磁共振成像 (MRI) 機器檢查過內部疾病。躺在使 MRI 成為可能的房間大小的磁性甜甜圈的幽閉空間中可能會感到壓力，但由此產生的體內各種軟組織的高對比度圖片的診斷價值彌補了任何焦慮。該技術更通用的版本，核磁共振 (NMR)，也提供了巨大的好處，使科學家能夠表徵材料的化學成分以及蛋白質和其他重要生物分子的結構，而無需物理穿透研究物件。
但是，醫生和科學家長期以來一直渴望可以使用在實驗室外的行動式 NMR 裝置。例如，他們設想，護理人員使用類似頭盔的 MRI 掃描器來精確定位中風受害者大腦中的血栓，同時仍在疾馳的救護車內。他們還設想了一種手持式 NMR 光譜儀，可以辨別顏料的化學成分，從而使藝術專家能夠區分博物館和畫廊中懸掛的古代大師畫作與現代贗品。
研究人員還遠未生產出電視節目《星際迷航》中著名的多功能“三錄儀”，但我的前博士生彼得·布呂米希和我於 1993 年邁出了行動式 NMR 裝置的第一步，當時我們都在德國美因茨的馬克斯·普朗克聚合物研究所工作。我們的努力最終產生了一種小型材料測試工具，可為外地調查人員提供有用的發現。從那時起，新興的“移動 NMR”學科中的其他工作人員一直在我們最初的方法和其他人的方法的基礎上進行構建，以開發各種相關技術，這些技術具有越來越強大的分析和成像能力。
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最簡單的核磁共振
十五年前，當布呂米希和我第一次半開玩笑地推測可以產生實用的 NMR 訊號的最簡單設定時，整個想法確實相當可笑。大多數研究人員都在朝著相反的方向發展——設計越來越複雜的 NMR 測量協議，以提供關於物體和物質結構的更精細的細節。但是，我們早期為聚合物材料開發 MRI 技術的努力教會了我們，昂貴而笨重的磁體——以及它們產生的均勻或同質磁場——並非總是成功成像所必需的。
我們意識到，廉價永磁體的較弱且不均勻或非均勻磁場（儘管比裝飾冰箱的磁場強 20 到 50 倍）同樣可以產生資料，從而可以清楚地區分不同種類的軟物質區域。布呂米希很快設計出一種裝置，該裝置可以產生傳統磁共振影像單個畫素中包含的基本資訊。考慮到我們可以像計算機滑鼠一樣移動它來掃描大型物體，我們將其命名為 NMR-MOUSE，即核磁共振移動通用表面探測器。
我們發明的最有趣之處在於，它有望小到咖啡杯大小，這將使其易於移動。與傳統的 NMR 不同，傳統的 NMR 將樣品的最大尺寸限制為小於其使用的環形磁體的大孔徑，我們的系統可以放置在任意大型物體的表面上以檢視其內部。
但是，NMR-MOUSE 的高度非均勻磁場是一個問題。根據當時的教科書知識，這將消除該工具能夠提供材料化學分析的可能性。
傳統核磁共振
我們透過利用標準 NMR 程式中使用的稱為 T2 時間常數的特定指標克服了這一障礙。經典的高解析度 NMR 波譜通常在今天透過將樣品放置在產生強大的均勻磁場的巨大固定磁體內部進行。該技術利用了以下事實：某些原子中的原子核（帶正電荷的質子和中性中子的束）像微型陀螺一樣繞軸自旋，這使得它們表現得像帶有南北極的微型條形磁鐵。在強磁場中，這些旋轉的“條形磁鐵”試圖與磁場線對齊。然而，它們的對齊並不精確，因此旋轉的核或自旋會在場力線周圍擺動（進動），其方式類似於側向力作用於旋轉陀螺時陀螺的舞動。
如果這些原子核隨後受到射頻 (RF) 能量脈衝的衝擊，它們將根據各自的旋轉速率在特定頻率下吸收並隨後重新發射能量。這些頻率會產生 NMR 譜，表現為高度不同的獨特峰，這些峰就像一組指紋，可用於識別樣品的組成化學基團。還可以操縱資料以生成區分不同材料的影像。
更具體地說，NMR 波譜依賴於測量自旋在響應施加的磁場和 RF 脈衝時的進動頻率。當非磁化樣品首次暴露於磁場時，自旋大致與磁場對齊。在樣品受到 RF 脈衝（來自 RF 線圈）後，自旋首先同步進動，最終失去同步，然後返回到其原始狀態。它們返回平衡狀態需要特徵時間 T1，在此期間它們釋放從 RF 脈衝吸收的能量。（特徵時間或時間常數類似於放射性半衰期，即樣品核衰變排放水平下降一半所需的時間。）
磁自旋的同步進動線上圈中感應出振盪電壓，隨著自旋失去同步，對於每種自旋型別，振盪電壓以特徵 T2 時間常數衰減。為了建立指示物質化學性質的 NMR 譜並生成影像，T1、T2 和進動資料結果會透過各種複雜的數學公式進行處理，例如，這些公式可以匯出樣品體積中自旋的密度，從中可以匯出物體影像的對比度。
駕馭回波序列
我們裝置的關鍵是認識到 T2 可以在非均勻磁場中測量。早在 1949 年，當時在伊利諾伊大學的著名物理學家歐文·L·哈恩就表明，即使採用非均勻磁場，也可以檢測到對 NMR 刺激的響應，因為會出現某些稱為回波的訊號。在這些非均勻場中，由 RF 脈衝激發引起的線圈電壓迅速衰減為零，但可以透過施加第二個脈衝在稍後一段時間恢復。新增更多脈衝會生成一系列回波，科學家稱之為回波序列。序列中回波的幅度隨著 T2 弛豫時間衰減，該弛豫時間對於不同的材料表現出特徵性變化。
T2 值反映了被研究分子的流動性：軟物質（其中分子可以輕鬆移動）具有較長的 T2，而硬物質（其中分子流動性較差）具有較短的 T2。每當發生化學反應或相變時，組成分子的分子流動性也會發生變化。因此，不同的 T2 值提供了關於材料物理和化學性質的資訊，以及可用於幫助區分醫學影像中不同組織區域的對比度資料。
當我和布呂米希於 1994 年搬到德國亞琛工業大學時，我們開始構建第一版 NMR-MOUSE。兩年後，我們觀察到了來自該裝置的第一個訊號，並驚訝地發現我們的發明能夠產生幾乎任何含質子材料的響應，包括木材、橡膠和巧克力。對於某些材料，回波序列很長；對於其他材料，回波序列很短。然後，我們開始系統地研究相關的 T2 值如何與我們探測的材料的特性相關聯。
經過幾年的改進，並在後來加入亞琛工業大學研究小組的研究人員費德里科·卡薩諾瓦和胡安·佩爾洛的貢獻下，我們最終得到了目前使用的手提包大小的 NMR-MOUSE 配置。它採用單側設計，其中磁場向外延伸遠離磁體，並且功耗很小，大約與執行白熾燈泡所需的功耗相同。目前全球有 40 到 50 個這樣的裝置在執行。
使用 NMR-MOUSE
橡膠是我們研究的第一批材料之一，因為它在輪胎等產品中具有重要的商業價值，並且像 MRI 非常有效的身體組織一樣柔軟。橡膠由長的、義大利麵條狀的聚合物分子組成，這些分子透過隨機交聯結合成三維網路。對於許多應用來說，交聯密度是決定整體剛度的最重要特徵。輪胎的效能取決於所有這些成分的相互作用，輪胎由多層化學性質和交聯密度不同的橡膠化合物組成。通常需要在賽道上進行測試以確定新設計的效能。然而，事實證明，NMR-MOUSE 可以單獨分析成品輪胎中各層的交聯密度，而無需破壞輪胎。這種能力還消除了在賽道上進行某些測試的需要。
NMR-MOUSE 可以訪問不同深度的層——最深可達幾釐米。它的磁場僅在距裝置一定距離處產生 NMR 訊號，因此研究人員將這個敏感區域在輪胎的不同層中移動，以獲得每層的 T2 讀數（以及交聯密度）。NMR-MOUSE 的其他類似用途包括分析環境退化對聚合物（包括橡膠和聚乙烯）的影響程度，以及古代大師畫作中蛋彩顏料粘合劑的化學成分。
另一個關鍵應用圍繞著在表面下（例如，人類皮膚或舊畫作上的汙垢層、清漆層和修補漆層）生成材料的內部輪廓。例如，幾年前，我們將我們的探針技術應用於冰人奧茨，這是儲存完好的新石器時代木乃伊，登山者於 1991 年在奧地利和義大利邊境的冰川融化到足以露出屍體時發現的。該裝置成功生成了一個清晰的深度剖面，顯示了一層冰、一層對應於奧茨的凍幹皮膚和皮下組織，以及一層對應於緻密和海綿狀材料的底層骨骼結構。這種對骨骼的非破壞性視覺化可能對尋找完整但埋藏的史前 DNA 寶藏的考古學傢俱有重要價值。
隨著該技術的原理越來越廣為人知，行動式 NMR 機器的用途同時開始在其他地方擴充套件。一個值得注意的例子是位於紐西蘭惠靈頓的 Magritek 公司的工作，該公司由開創性的 NMR 研究員 Paul Callaghan 共同創立。除了其他努力之外，Magritek 正在使用一種與我們的技術相關的技術來分析南極冰芯的機械特性如何隨著那裡的冰川遇到全球變暖的影響而變化。
移動核磁共振的進展
卡薩諾瓦和佩爾洛最近提高了系統永磁體產生的磁場的均勻性，以提高其解析度。因此，改進後的 NMR-MOUSE 現在可以揭示放置在裝置頂部的燒杯中溶液的化學性質。這種令人驚訝的功能為化學家使用 NMR-MOUSE 進行分子分析打開了大門。今天，研究人員正在研究各種磁體排列方式，這些排列方式可以實現咖啡杯大小的 NMR 系統，從而可以進行化學分析。
而且由於當前的硬體本質上是手機與小型磁體的結合，因此隨著需求的增長，裝置的成本應該會下降。在未來的某個時候，行動式 NMR 機器甚至可能會在百貨商店出售以供個人使用。例如，患有皮膚病的人有一天可以使用家用 NMR 裝置監測問題，然後根據其發現調整皮膚護理方案。也許像《星際迷航》中的三錄儀之類的東西畢竟離我們不遠了。
注意：本文最初以標題“令人驚歎的微型掃描器”發表。