武漢磁共振中心

武漢磁共振中心以800 MHz核磁共振譜儀為核心，另配有600 MHz液體譜儀、400 MHz固體譜儀以及4.7 T小動(dòng)物磁共振成像儀，并自主研制了500MHz液體核磁共振譜儀。擁有SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房、生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)室、生物大分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等附屬設(shè)施。建成了技術(shù)先進(jìn)、功能全面、配置合理的國(guó)家大型科學(xué)儀器共享平臺(tái)，面向全國(guó)提供高質(zhì)量的核磁共振測(cè)試服務(wù)和技術(shù)支撐。

武漢磁共振中心以生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理和材料等學(xué)科中的重大科學(xué)問(wèn)題為牽引，開(kāi)展以核磁共振為主要手段的多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域創(chuàng)新研究，發(fā)展核磁共振方法和譜儀技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)核磁共振領(lǐng)域的發(fā)展。開(kāi)展國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流和合作，通過(guò)研究資源共享和知識(shí)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，推動(dòng)磁共振與生命科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的緊密結(jié)合與交叉，促進(jìn)核磁共振更好地為多學(xué)科研究服務(wù)。武漢磁共振中心已經(jīng)成為具有國(guó)際先進(jìn)水平、開(kāi)放共享、多學(xué)科（物理、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)）交叉的以核磁共振技術(shù)為主的科學(xué)研究、技術(shù)支撐、學(xué)術(shù)交流和交叉型人才培養(yǎng)的國(guó)家級(jí)綜合型科學(xué)平臺(tái)。

武漢磁共振中心現(xiàn)有院士1名，研究員16名，副研究員12名，高級(jí)工程師5名，中級(jí)及以下人員26名，博士后9名，研究生110名。目前承擔(dān)了科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目、973計(jì)劃項(xiàng)目、創(chuàng)新方法項(xiàng)目、基金委創(chuàng)新群體、基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、基金委重大國(guó)際合作項(xiàng)目等多項(xiàng)國(guó)家重大項(xiàng)目任務(wù) 。

磁共振指固體在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下，當(dāng)恒定磁場(chǎng)與高頻磁場(chǎng)的頻率滿(mǎn)足一定條件時(shí)，該固體對(duì)高頻電磁場(chǎng)的共振吸收現(xiàn)象。

具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。與電子磁性有關(guān)的主要有抗磁共振、順磁共振和鐵磁共振。

與核磁性有關(guān)的有核磁共振。各種磁共振既有共性又各有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理和實(shí)驗(yàn)方法類(lèi)似，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機(jī)制。

與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。

磁共振是在固體微觀量子理論和無(wú)線(xiàn)電微波電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀測(cè)到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應(yīng)的方法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導(dǎo)諧振腔方法發(fā)現(xiàn)了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀測(cè)到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導(dǎo)體硅和鍺中觀測(cè)到電子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后從理論上預(yù)言和實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到亞鐵磁共振。隨后又發(fā)現(xiàn)了磁有序系統(tǒng)中高次模式的靜磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年開(kāi)始研究?jī)煞N磁共振耦合的磁雙共振現(xiàn)象。這些磁共振被發(fā)現(xiàn)后，便在物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科和微波技術(shù)、量子電子學(xué)等新技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如順磁固體量子放大器，各種鐵氧體微波器件，核磁共振譜分析技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)及利用磁共振方法對(duì)順磁晶體的晶場(chǎng)和能級(jí)結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和生物分子結(jié)構(gòu)等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數(shù)的測(cè)定也是以各種磁共振原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。

磁共振成像技術(shù)由于其無(wú)輻射、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)研究。一些先進(jìn)的設(shè)備制造商與研究人員一起，不斷優(yōu)化磁共振掃描儀的性能、開(kāi)發(fā)新的組件。例如：德國(guó)西門(mén)子公司的1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀具有神經(jīng)成像組件、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程序組件、骨關(guān)節(jié)及兒童成像組件等。其具有高分辨率、磁場(chǎng)均勻、掃描速度快、噪聲相對(duì)較小、多方位成像等優(yōu)點(diǎn)。

具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。下面列出物質(zhì)的各種磁性及相應(yīng)的磁共振：各種磁共振既有共性又有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理可以統(tǒng)一地唯象描述，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機(jī)制?；匦舱駚?lái)自載流子在軌道磁能級(jí)之間的躍遷，其激發(fā)場(chǎng)為與恒定磁場(chǎng)相垂直的高頻電場(chǎng)，而其他來(lái)自自旋磁共振的激發(fā)場(chǎng)為高頻磁場(chǎng)。核磁矩比電子磁矩約小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故核磁共振的頻系和靈敏度都比電子磁共振的低得多。弱磁性物質(zhì)的磁矩遠(yuǎn)低于強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁矩，故弱磁共振的靈敏度又比強(qiáng)磁共振低，但強(qiáng)磁共振卻必須考慮強(qiáng)磁矩引起的退磁場(chǎng)所造成的影響。

下面分別介紹幾種主要的磁共振。

磁共振鐵磁共振

鐵磁體中原子磁矩間的交換作用使這些原子磁矩在每個(gè)磁疇中自發(fā)地平行排列。一般，在鐵磁共振情況下，外加恒定磁場(chǎng)已使鐵磁體飽和磁化，即參與鐵磁共振進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的是彼此平行的原子磁矩（飽和磁化強(qiáng)度Ms）。鐵磁共振的這一特點(diǎn)引起的主要效應(yīng)是：鐵磁體的退磁場(chǎng)成為影響共振的一項(xiàng)重要因素，因此必須考慮共振樣品形狀的影響；鐵磁體內(nèi)交換作用場(chǎng)與磁矩平行，磁轉(zhuǎn)矩為零，故對(duì)共振無(wú)影響；鐵磁體內(nèi)磁晶各向異性對(duì)共振有影響，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向異性有效場(chǎng)。在特殊情況下，例如當(dāng)高頻磁場(chǎng)不均勻時(shí)，會(huì)激發(fā)鐵磁耦合磁矩系統(tǒng)的多種進(jìn)動(dòng)模式，即各原子磁矩的進(jìn)動(dòng)幅度和相位不相同的非一致進(jìn)動(dòng)模式，稱(chēng)為非一致（鐵磁）共振。當(dāng)非一致進(jìn)動(dòng)的相鄰原子磁矩間的交換作用可忽略，樣品線(xiàn)度又小到使傳播效應(yīng)可忽略時(shí)，這樣的非一致共振稱(chēng)為靜磁型共振。當(dāng)非一致進(jìn)動(dòng)的相鄰原子磁矩間的交換作用不能忽略（如金屬薄膜中）時(shí)，這樣的非一致共振稱(chēng)為自旋波共振；當(dāng)高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)閾值，使共振曲線(xiàn)和參數(shù)與高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)時(shí)，稱(chēng)為非線(xiàn)性鐵磁共振。鐵磁共振是研究鐵磁體中動(dòng)態(tài)過(guò)程和測(cè)量磁性參量的重要方法，也是微波磁器件（如鐵氧體的隔離器、環(huán)行器和相移器）的物理基礎(chǔ)。

磁共振亞鐵磁共振

亞鐵磁體是包含有兩個(gè)或更多個(gè)不等效的磁亞點(diǎn)陣的磁有序材料，亞鐵磁共振是亞鐵磁體在居里點(diǎn)以下的磁共振。在宏觀磁性上，通常亞鐵磁體與鐵磁體有許多相似的地方，亞鐵磁共振與鐵磁共振也有許多相似的地方。因此，習(xí)慣上常把一般亞鐵磁共振也稱(chēng)為鐵磁共振。但在微觀結(jié)構(gòu)上，含有多個(gè)磁亞點(diǎn)陣的亞鐵磁體與只有一個(gè)磁點(diǎn)陣的鐵磁體有顯著的差別。這差別會(huì)反映到亞鐵磁共振的一些特點(diǎn)上。這些特點(diǎn)是由多個(gè)交換作用強(qiáng)耦合的磁亞點(diǎn)陣中磁矩的復(fù)雜進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)在：有兩種類(lèi)型的磁共振，即共振不受交換作用影響的鐵磁型共振和共振主要由交換作用決定的交換型共振，在兩個(gè)磁亞點(diǎn)陣的磁矩互相抵消或動(dòng)量矩相互抵消的抵消點(diǎn)附近，共振參量（如g因子共振線(xiàn)寬等）出現(xiàn)反常的變化，在磁矩和動(dòng)量矩兩抵消點(diǎn)之間，法拉第旋轉(zhuǎn)反向。這些特點(diǎn)都已在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到。亞鐵磁共振的應(yīng)用基本同鐵磁共振的一樣，其差別僅在應(yīng)用上述亞鐵磁共振的特點(diǎn)（如g因子的反常增大或減小，法拉第旋轉(zhuǎn)反向等）時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。

磁共振反鐵磁共振

反鐵磁體是包含兩個(gè)晶體學(xué)上等效的磁亞點(diǎn)陣且磁矩互相抵消的序磁材料，反鐵磁共振是反鐵磁體在奈耳溫度以下的磁共振。它是由交換作用強(qiáng)耦合的兩個(gè)磁亞點(diǎn)陣中磁矩的復(fù)雜進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。在反鐵磁共振中，有效恒定磁場(chǎng)包括反鐵磁體內(nèi)的交換場(chǎng)BE和磁晶各向異性場(chǎng)BA。在不加外恒定磁場(chǎng)而只加適當(dāng)高頻磁場(chǎng)時(shí)，可觀測(cè)到簡(jiǎn)并的反鐵磁共振，其共振角頻率稱(chēng)為自然反鐵磁共振；

當(dāng)施加外恒定磁場(chǎng)B時(shí)，可觀測(cè)到兩支非簡(jiǎn)并的反鐵磁共振，其共振角頻率

一般反鐵磁體的BE和BA都較高，反鐵磁共振發(fā)生在毫米或亞毫米波段。除應(yīng)用于基礎(chǔ)研究外，可利用其強(qiáng)內(nèi)場(chǎng)作毫米波段或更高頻段的隔離器等非互易磁器件。

磁共振順磁共振

具有未抵消的電子磁矩（自旋）的磁無(wú)序系統(tǒng)，在一定的恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下產(chǎn)生的磁共振。若未抵消的電子磁矩來(lái)源于未滿(mǎn)充的內(nèi)電子殼層（如鐵族原子的3d殼層、稀土族原子的4f殼層），則一般稱(chēng)為（狹義的）順磁共振。若未抵消的電子磁矩來(lái)源于外層電子或共有化電子的未配對(duì)自旋[如半導(dǎo)體和金屬中的導(dǎo)電電子、有機(jī)物的自由基、晶體缺陷（如位錯(cuò)）和輻照損傷（如色心）等]產(chǎn)生的未配對(duì)電子，則常稱(chēng)為電子自旋共振。順磁共振是由順磁物質(zhì)基態(tài)塞曼能級(jí)間的躍遷引起的，其靈敏度遠(yuǎn)不如強(qiáng)磁體的磁共振高。如果在非順磁體（某些生物分子）中加入含有自由基的分子（稱(chēng)為自旋標(biāo)記），則也可在原來(lái)是抗磁性的物質(zhì)中觀測(cè)到自旋標(biāo)記的順磁共振。順磁共振技術(shù)已較廣泛地應(yīng)用于各種含順磁性原子（離子）和含未配對(duì)電子自旋的固體研究。既可研究固體的基態(tài)能譜，又可研究固體中的相變、弛豫和缺陷等的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。微波固體量子放大器也是在固體順磁共振研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

磁共振回旋共振

亦稱(chēng)抗磁共振。固體中的載流子（電子及空穴）和等離子體以及電離氣體在恒定磁場(chǎng) B和橫向高頻電場(chǎng)E（ω）的同時(shí)作用下，當(dāng)高頻電場(chǎng)的頻率ω與帶電粒子的回旋頻率相等，ω=ωc，這些帶電粒子碰撞弛豫時(shí)間τ遠(yuǎn)大于高頻電場(chǎng)周期，即τ≥1/ω時(shí)，便可觀測(cè)到帶電粒子的回旋共振。因此，回旋共振常是在高純、低溫（τ大）和強(qiáng)磁場(chǎng)（ωc高）、高頻率的條件下進(jìn)行觀測(cè)，其顯著特征是在各向同性介質(zhì)中，介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ成為張量,稱(chēng)為旋電性。這與其他的磁矩（自旋）系統(tǒng)的磁共振中磁導(dǎo)率 μ為張量（稱(chēng)為旋磁性）不相同。此外，在電離分子中還可觀測(cè)到各種帶電離子的回旋共振──離子回旋共振。回旋共振主要應(yīng)用于半導(dǎo)體和金屬的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量等的研究，也是實(shí)現(xiàn)研究旋電器件（如半導(dǎo)體隔離器）、微波參量放大器、負(fù)質(zhì)量放大器、毫米波激射器和紅外激光器的物理基礎(chǔ)。

磁共振核磁共振

元素周期表中絕大多數(shù)元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恒定磁場(chǎng) B和橫向高頻磁場(chǎng)bo（ω）的同時(shí)作用下，在滿(mǎn)足ωN=γNB 的條件下會(huì)產(chǎn)生核磁共振（γN為核磁旋比），也可在恒定磁場(chǎng)B突然改變方向時(shí)，產(chǎn)生頻率為ωo=γB、振幅隨時(shí)間衰減的核自由進(jìn)動(dòng)，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場(chǎng)Be和內(nèi)場(chǎng)Bi的作用，使共振譜線(xiàn)產(chǎn)生微小的移位（約0.1%～1%），在金屬中稱(chēng)為奈特移位，在一般化合物中稱(chēng)為化學(xué)移位，在序磁材料中由于核外電子的極化會(huì)產(chǎn)生約1～10T的內(nèi)場(chǎng)，稱(chēng)為超精細(xì)作用場(chǎng)。這些移位和內(nèi)場(chǎng)反映核周?chē)瘜W(xué)環(huán)境（指電子組態(tài)和原子分布等）的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉(zhuǎn)移的弛豫過(guò)程，包括核自旋－自旋弛豫和核自旋－點(diǎn)陣弛豫兩種過(guò)程，也反映化學(xué)環(huán)境的影響。因此，核磁共振起著探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的微探針作用。核磁共振已成為研究各種固體（包括無(wú)機(jī)、有機(jī)和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程的重要方法。新發(fā)展的核磁共振成像技術(shù)不但與超聲成像和X射線(xiàn)層析照相有相似的功能，而且還可能顯示化學(xué)元素和弛豫時(shí)間的分布。

磁共振磁雙共振

固體中有兩種或更多互相耦合的基團(tuán)或磁共振系統(tǒng)時(shí)，一種基團(tuán)或系統(tǒng)的磁共振可以影響另一種基團(tuán)或系統(tǒng)的磁共振，因而可以利用其中的一種磁共振來(lái)探測(cè)另一種磁共振，稱(chēng)為磁雙共振。例如可利用同一物質(zhì)中的一種核的核磁共振來(lái)影響和探測(cè)另一種核的核磁共振，稱(chēng)為核－核磁雙共振；可以用同一物質(zhì)中的核磁共振來(lái)影響和探測(cè)電子自旋共振，稱(chēng)為電子－核磁雙共振；也可利用光泵技術(shù)來(lái)探測(cè)其他磁共振（如核磁共振或順磁共振），稱(chēng)為光磁雙共振或光測(cè)磁共振。