核磁共振與諾貝爾桂冠

1952年諾貝爾物理獎分別頒給在美國的兩位物理學家F Block(Stanford)和EM Purcell (Harvard),表揚他們在核磁共振的物理現象重要的發現。之後,科學界在核磁共振研究重心從物理移到化學及生化學門,延續發光。1991年諾貝爾化學獎頒給RR Ernst(Zurich) 表彰他在開發高解析度核磁共振方法學,開啟新里程碑。2002年諾貝爾化學獎頒給K Wuthrich(Zurich)表揚他在開發三維空間核磁共振實驗方法學,解析生物大分子即蛋白質在生理環境下之的分子結構。隔年2003年諾貝爾醫學獎分別頒給PC Lauterbur(Stony Brook)和P Mansfield(Nottingham),表揚他們首度將核磁共振頻譜學應用在人體醫學影像上,因為他們的研究工作,我們現在醫院裡才有磁共振影像儀,也就是MRI(Magnetic resonance imaging)。十年後,在2013年法國的理論化學家M Karplus(Strasbourg)獲頒諾貝爾化學獎,表彰他在建立生物巨分子動態模型上卓越貢獻。因為他曾經提出Karplus方程式,透過氫偶合常數的測量可推算出二面角(Dihedral angle),對解析分子結構有重要價值及意義,可以算是間接因核磁共振得到諾貝爾獎。回顧歷史,鮮少有單一技術,可以影響科學界如此深遠,涵蓋物理、化學、醫學、理論計算不同領域,總有七位科學家直接或間接因此技術贏得科學上的殊榮,見表一。最早是為物理學者家的發現,原子核核磁場有變相互作用力,運用一些技術如無限電脈衝,以及傅利葉轉換,可將訊號轉換為頻譜,分子之頻譜可以想像是如同指紋,作為鑑定辨識之用,化學家發現此一技術可以運用在小分子以及生化大分子上,進行量測,而且量測結果再現性高且準確度高,亦廣泛應用在其他領域的研究,包括生化、化工、高分子材料及生醫等等。

本文將針對核磁共振的應用,作一概括性簡述,有興趣讀者可上網查詢相關公開資訊或書籍,實際深入瞭解內容。

表一、1952-2013 核磁共振相關之諾貝爾獎桂冠得主

核磁共振原理簡述

由於原子核攜帶電荷,當原子核自旋時,會由自旋產生一個磁矩,這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同,大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置於外加磁場中,若原子核磁矩與外加磁場方向不同,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動,稱為進動(precession)。特定原子核的進動具有特定的頻率。對於特定原子核而言,單一的原子核在同樣強度的磁場中,只對某一特定頻率的無線電產生磁共振響應,產生特定頻率的訊號。然而對某分子而言,即使是相同的原子核,但各個所處之微環境不同,電子雲分布產生遮蔽效果不同,實際感受到的外加磁場的強度各不相同,這種分子中電子雲對外加磁場強度的影響,會導致同分子中不同微環境影響對不同頻率的射頻場敏感,從而導致核磁共振訊號頻率上的差異,這種差異便是核磁共振解析分子結構的基礎。原子核因化學鍵和電子雲的分布狀況稱為該原子核的化學環境,反應出其核磁共振信號頻率的微小變化稱為該原子核的化學位移。

磁共磁影像 MRI (Magnetic resonance imaging)

一般人認為核磁共振頻譜學是一門高深學問,日常生活不會用到接觸到,比較常聽到的是醫院內磁共振影像,也就是MRI(Magnetic resonance imaging)。因MRI技術不斷進步,軟硬體也相繼更新,商品化的磁共振影像儀陸續問世,如今各個大醫院大都具備人體用磁共振影像儀,提供醫生們對病情或傷害判讀之依據。雖然醫學磁共振影像儀檢視用和一般研究用核磁共振頻譜用途迴異,且外觀上也大不相同,如圖一所示,前者為水平超導磁鐵以配合人體平移進出,後者則為直立型超導磁鐵,樣品由磁鐵上方置入,事實上,兩者的基本原理是完全相同的。磁共振影像儀偵測的是氫原子訊號,即是人體水分子的訊號,可透過實驗設定觀察到腦部或其他部位某一截面之影像,相較於硬組織如骨骼,更方便偵測軟組織含水較高如軟骨或腦部,也適用於人體其他部位。再者,磁共振影像的取得無任何放射性危害顧慮,唯安全考量下,進入磁場嚴格禁止攜入任何金屬物品,以及金融卡提款卡等,另外下列幾種狀況須要特別注意;佩帶有心律調整器以及體內有植入性金屬物者不得靠近磁場,懷孕婦女不建議取得強磁場影像。

圖一,(A)核磁共振超導磁鐵(直立式),內部含內外桶,兩桶中間為真空絕緣層,內桶為超導線圈所在,浸在液態氦(零下269度)內維持超導導電性,外桶為液態氮(零下196度)降低液態氦揮發速度,(B)固醇類分子之氫原子頻譜(C)磁共振影像儀超導磁鐵(水平式)(D)磁共振腦斷面影像。

食品之分析

近年來,因為許多新興國家經濟起飛,帶動食品工業發展,人類對食品需求不論質與量都相對增多,但因為市場商業利益的考量,愈來愈多食品生產過程受到質疑,是否有機?是否接觸到汙染源?是否添加對健康有害物質,然而消費者是處於相對弱勢,不可能全程追蹤處理過程,也無法檢驗所有可能的汙染汙或有毒物質,再決定是否購買。往往只能相信包裝外的說明,若內容不實也無據追究責任,衍生許多食品安全問題。高單價單位之液態食物,如稀有葡萄酒、陳年高粱酒、稀有咖啡豆、獲獎優質茶、高品質橄欖油或蜂蜜。不肖廠商見有利可圖,䟃入非產地或廉價添加物提高利潤,變相加價,甚至有害人體健康,這些產品須定期及不定期進行查驗,以杜絕假冒歪風。

核磁共振頻譜學好比“分子的放大鏡”提供高解析度的頻譜,可將所有分子一一呈現出來,好比照妖鏡一般無所遁形,替我們健康把關。先進國家如歐盟、美國等,已接受核磁共振為檢驗食品安全的檢測工具,檢驗的方式標準化,成為食品查驗重要依據。核磁共振頻譜學提供一個信賴度高的方法學,用在食品項目的檢驗有其優勢,在一般食品檢驗,氫原子頻譜便是一首選,氫原子核具有較高靈敏度且分子中含量較多,也是以氫原子當作首選,如圖二所示,即是咖啡之氫原子頻譜,咖啡內含約10種不同小分子,包括咖啡因、檸檬酸、甲酸、乳酸、醋酸、奎寧酸、蘋果酸及葫蘆巴鹼等,它們的訊號分別標示在頻譜上,每個訊號代表某個氫原子特定微環境,例如3-4ppm之間有三個明顯的訊號,分別代表其咖啡因分子內特定氫原子,三個氫原子因化學微環境不同出現的頻率不同,不同ppm來代表他們化學位移(3.26, 3.43, 3.86ppm)。不僅在咖啡裡,在茶葉裡也偵測到咖啡因的訊號,也偵測到兒茶素(Catechins)及茶胺酸(L-Theanine)的訊號,前者為多酚類分子具苦味抗氧化功能,後者為胺基酸類分子具有特別香氣及甘味,比較全發酵及半發酵茶葉,對應到相關訊號的強弱,顯示這些分子含量有明顯差異。而在半發酵包種茶,採用不同泡茶方法,冷泡(25C)或熱泡(45C, 90C),因它們釋出的比例不同自然而然茶風味有所不同,這些可從核磁共振頻譜的訊號上得到實證。

除了咖啡檢測外,核磁共振亦應用食用油品質的分析鑑定,從自然界植物萃取食用油,包括橄欖油、花生油、茶仔油等等,皆含有不同鏈長之脂肪酸,其中有飽和性及非飽和性脂肪酸,而油品的價值取決於它們的含量比例,經由氫譜和碳譜分析可得到它們相對比例,從而判定油品質之優劣好壞。

圖二,咖啡之氫原子頻譜,內含主要約十種小分子,如圖上方所標示,每個分子因各別氫原子所處化學微環境不盡相同,因而會出現在特定頻率,故此其對應頻譜可視為其特有指紋,經過積分可作為定量分析之用,左上為6-9.5ppm區間放大圖。

代謝物之分析

近年來核磁核磁共振氫譜被使用於人體代謝物之分析,收集到的尿液,經過離心後去除大分子沉澱物,保留小分子代謝物,利用核磁共振氫譜可以觀測到不同小分子代謝物,尿液中小分子代謝物可粗分為醣類,脂類,酸類,酚類,胺類,核酸類等等,表列已知之代謝物已有一百多種,仍持續增加中,每種代謝物訊號的強弱代表其含量的多寡,若訊號沒有重疊,定量分析是可由訊號積分得到數值,經過已知標準物濃度轉換為該代謝物的濃度值。收集之樣品數足夠多,在統計分析上代表性是有其意義,可經由主成份分析方法,找到正常人與健康高危險群分佈之差異性,檢驗受測者之健康狀況,人體新陳代謝的產物和年齡、地域、體質、飲食以及生活習慣息息相關,也反映出當下身體健康狀況,預期未來此核磁共振觀察代謝物的技術將作為客製化個人健檢及特定慢性疾病醫療檢驗之用。事實上,同樣的技術可用於服用毒品或管制藥品的檢測,透過尿液相關訊號和正常訊號比對,即可測出毒品或藥品或新興藥品之檢測,為國民健康社會安全盡力。

除尿液外,核磁共振亦可透過其他體液進行分析,如血液或脊髓液,但這些體液的採集須透過合格醫療院所進行,雖說不同體液觀察到的代謝物,在種類及數量上皆不同,但是策略上相同的,無非是想證明疾病或預測到可能是高危險群,便於安排進一步進行治療,或有效減緩慢性病的生成。

結語

物理學家七十年前發現的原子核磁共振現象,歷屆諾貝爾獎桂冠神聖的光環,照亮在不同領域核磁共振實驗室工作的傑出科學家,經過若干年,此高科技核磁共振技術已邁出高科技實驗室,不僅在醫院裡成為重要醫學影像檢驗工具,近年來也因對健康及食物安全的需求,跨入我們的日常生活圈,它作用如同分子放大鏡一般,透過此分子放大鏡所有分子皆無法遁形,為健康和食品安全把守著重要關卡,持續發光發熱,更顯現出親民的一面。