您或您认识的人可能已经使用磁共振成像 (MRI) 机器检查过内部疾病。躺在使 MRI 成为可能的房间大小的磁性甜甜圈的幽闭空间中可能会感到压力，但由此产生的体内各种软组织的高对比度图片的诊断价值弥补了任何焦虑。该技术更通用的版本，核磁共振 (NMR)，也提供了巨大的好处，使科学家能够表征材料的化学成分以及蛋白质和其他重要生物分子的结构，而无需物理穿透研究对象。
但是，医生和科学家长期以来一直渴望可以使用在实验室外的便携式 NMR 设备。例如，他们设想，护理人员使用类似头盔的 MRI 扫描仪来精确定位中风受害者大脑中的血栓，同时仍在疾驰的救护车内。他们还设想了一种手持式 NMR 光谱仪，可以辨别颜料的化学成分，从而使艺术专家能够区分博物馆和画廊中悬挂的古代大师画作与现代赝品。
研究人员还远未生产出电视节目《星际迷航》中著名的多功能“三录仪”，但我的前博士生彼得·布吕米希和我于 1993 年迈出了便携式 NMR 设备的第一步，当时我们都在德国美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所工作。我们的努力最终产生了一种小型材料测试工具，可为外地调查人员提供有用的发现。从那时起，新兴的“移动 NMR”学科中的其他工作人员一直在我们最初的方法和其他人的方法的基础上进行构建，以开发各种相关技术，这些技术具有越来越强大的分析和成像能力。
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最简单的核磁共振
十五年前，当布吕米希和我第一次半开玩笑地推测可以产生实用的 NMR 信号的最简单设置时，整个想法确实相当可笑。大多数研究人员都在朝着相反的方向发展——设计越来越复杂的 NMR 测量协议，以提供关于物体和物质结构的更精细的细节。但是，我们早期为聚合物材料开发 MRI 技术的努力教会了我们，昂贵而笨重的磁体——以及它们产生的均匀或同质磁场——并非总是成功成像所必需的。
我们意识到，廉价永磁体的较弱且不均匀或非均匀磁场（尽管比装饰冰箱的磁场强 20 到 50 倍）同样可以产生数据，从而可以清楚地区分不同种类的软物质区域。布吕米希很快设计出一种设备，该设备可以产生传统磁共振图像单个像素中包含的基本信息。考虑到我们可以像计算机鼠标一样移动它来扫描大型物体，我们将其命名为 NMR-MOUSE，即核磁共振移动通用表面探测器。
我们发明的最有趣之处在于，它有望小到咖啡杯大小，这将使其易于移动。与传统的 NMR 不同，传统的 NMR 将样品的最大尺寸限制为小于其使用的环形磁体的大孔径，我们的系统可以放置在任意大型物体的表面上以查看其内部。
但是，NMR-MOUSE 的高度非均匀磁场是一个问题。根据当时的教科书知识，这将消除该工具能够提供材料化学分析的可能性。
传统核磁共振
我们通过利用标准 NMR 程序中使用的称为 T2 时间常数的特定指标克服了这一障碍。经典的高分辨率 NMR 波谱通常在今天通过将样品放置在产生强大的均匀磁场的巨大固定磁体内部进行。该技术利用了以下事实：某些原子中的原子核（带正电荷的质子和中性中子的束）像微型陀螺一样绕轴自旋，这使得它们表现得像带有南北极的微型条形磁铁。在强磁场中，这些旋转的“条形磁铁”试图与磁场线对齐。然而，它们的对齐并不精确，因此旋转的核或自旋会在场力线周围摆动（进动），其方式类似于侧向力作用于旋转陀螺时陀螺的舞动。
如果这些原子核随后受到射频 (RF) 能量脉冲的冲击，它们将根据各自的旋转速率在特定频率下吸收并随后重新发射能量。这些频率会产生 NMR 谱，表现为高度不同的独特峰，这些峰就像一组指纹，可用于识别样品的组成化学基团。还可以操纵数据以生成区分不同材料的图像。
更具体地说，NMR 波谱依赖于测量自旋在响应施加的磁场和 RF 脉冲时的进动频率。当非磁化样品首次暴露于磁场时，自旋大致与磁场对齐。在样品受到 RF 脉冲（来自 RF 线圈）后，自旋首先同步进动，最终失去同步，然后返回到其原始状态。它们返回平衡状态需要特征时间 T1，在此期间它们释放从 RF 脉冲吸收的能量。（特征时间或时间常数类似于放射性半衰期，即样品核衰变排放水平下降一半所需的时间。）
磁自旋的同步进动在线圈中感应出振荡电压，随着自旋失去同步，对于每种自旋类型，振荡电压以特征 T2 时间常数衰减。为了创建指示物质化学性质的 NMR 谱并生成图像，T1、T2 和进动数据结果会通过各种复杂的数学公式进行处理，例如，这些公式可以导出样品体积中自旋的密度，从中可以导出物体图像的对比度。
驾驭回波序列
我们设备的关键是认识到 T2 可以在非均匀磁场中测量。早在 1949 年，当时在伊利诺伊大学的著名物理学家欧文·L·哈恩就表明，即使采用非均匀磁场，也可以检测到对 NMR 刺激的响应，因为会出现某些称为回波的信号。在这些非均匀场中，由 RF 脉冲激发引起的线圈电压迅速衰减为零，但可以通过施加第二个脉冲在稍后一段时间恢复。添加更多脉冲会生成一系列回波，科学家称之为回波序列。序列中回波的幅度随着 T2 弛豫时间衰减，该弛豫时间对于不同的材料表现出特征性变化。
T2 值反映了被研究分子的流动性：软物质（其中分子可以轻松移动）具有较长的 T2，而硬物质（其中分子流动性较差）具有较短的 T2。每当发生化学反应或相变时，组成分子的分子流动性也会发生变化。因此，不同的 T2 值提供了关于材料物理和化学性质的信息，以及可用于帮助区分医学图像中不同组织区域的对比度数据。
当我和布吕米希于 1994 年搬到德国亚琛工业大学时，我们开始构建第一版 NMR-MOUSE。两年后，我们观察到了来自该设备的第一个信号，并惊讶地发现我们的发明能够产生几乎任何含质子材料的响应，包括木材、橡胶和巧克力。对于某些材料，回波序列很长；对于其他材料，回波序列很短。然后，我们开始系统地研究相关的 T2 值如何与我们探测的材料的特性相关联。
经过几年的改进，并在后来加入亚琛工业大学研究小组的研究人员费德里科·卡萨诺瓦和胡安·佩尔洛的贡献下，我们最终得到了目前使用的手提包大小的 NMR-MOUSE 配置。它采用单侧设计，其中磁场向外延伸远离磁体，并且功耗很小，大约与运行白炽灯泡所需的功耗相同。目前全球有 40 到 50 个这样的装置在运行。
使用 NMR-MOUSE
橡胶是我们研究的第一批材料之一，因为它在轮胎等产品中具有重要的商业价值，并且像 MRI 非常有效的身体组织一样柔软。橡胶由长的、意大利面条状的聚合物分子组成，这些分子通过随机交联结合成三维网络。对于许多应用来说，交联密度是决定整体刚度的最重要特征。轮胎的性能取决于所有这些成分的相互作用，轮胎由多层化学性质和交联密度不同的橡胶化合物组成。通常需要在赛道上进行测试以确定新设计的性能。然而，事实证明，NMR-MOUSE 可以单独分析成品轮胎中各层的交联密度，而无需破坏轮胎。这种能力还消除了在赛道上进行某些测试的需要。
NMR-MOUSE 可以访问不同深度的层——最深可达几厘米。它的磁场仅在距设备一定距离处产生 NMR 信号，因此研究人员将这个敏感区域在轮胎的不同层中移动，以获得每层的 T2 读数（以及交联密度）。NMR-MOUSE 的其他类似用途包括分析环境退化对聚合物（包括橡胶和聚乙烯）的影响程度，以及古代大师画作中蛋彩颜料粘合剂的化学成分。
另一个关键应用围绕着在表面下（例如，人类皮肤或旧画作上的污垢层、清漆层和修补漆层）生成材料的内部轮廓。例如，几年前，我们将我们的探针技术应用于冰人奥茨，这是保存完好的新石器时代木乃伊，登山者于 1991 年在奥地利和意大利边境的冰川融化到足以露出尸体时发现的。该设备成功生成了一个清晰的深度剖面，显示了一层冰、一层对应于奥茨的冻干皮肤和皮下组织，以及一层对应于致密和海绵状材料的底层骨骼结构。这种对骨骼的非破坏性可视化可能对寻找完整但埋藏的史前 DNA 宝藏的考古学家具有重要价值。
随着该技术的原理越来越广为人知，便携式 NMR 机器的用途同时开始在其他地方扩展。一个值得注意的例子是位于新西兰惠灵顿的 Magritek 公司的工作，该公司由开创性的 NMR 研究员 Paul Callaghan 共同创立。除了其他努力之外，Magritek 正在使用一种与我们的技术相关的技术来分析南极冰芯的机械特性如何随着那里的冰川遇到全球变暖的影响而变化。
移动核磁共振的进展
卡萨诺瓦和佩尔洛最近提高了系统永磁体产生的磁场的均匀性，以提高其分辨率。因此，改进后的 NMR-MOUSE 现在可以揭示放置在设备顶部的烧杯中溶液的化学性质。这种令人惊讶的功能为化学家使用 NMR-MOUSE 进行分子分析打开了大门。今天，研究人员正在研究各种磁体排列方式，这些排列方式可以实现咖啡杯大小的 NMR 系统，从而可以进行化学分析。
而且由于当前的硬件本质上是手机与小型磁体的结合，因此随着需求的增长，设备的成本应该会下降。在未来的某个时候，便携式 NMR 机器甚至可能会在百货商店出售以供个人使用。例如，患有皮肤病的人有一天可以使用家用 NMR 设备监测问题，然后根据其发现调整皮肤护理方案。也许像《星际迷航》中的三录仪之类的东西毕竟离我们不远了。
注意：本文最初以标题“令人惊叹的微型扫描仪”发表。