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研究方向

1.用于提高NMR灵敏度的超极化仪器研发

灵敏度一直是NMR和MRI面临的最主要挑战之一。通常的磁共振信号是在磁场的热极化条件下获得，因为被测样品一般为液体、固体或组织，其质子的自旋密度约为10²²/cm³，所以可以获得NMR信号。但是，对于气体样品，其自旋密度下降1000倍左右，约为10¹⁹/cm³，在传统方法的热极化条件不能单次采样获得NMR信号。

利用超极化的方法，例如激光光泵（Optical Pumping,OP）、动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization, DNP)、仲氢诱导核极化（Para-Hydrogen Induced Polarization,PHIP），可以把核自旋极化度提高4到5个量级。由上图中的NMR探测灵敏度公式可知，超极化技术使得NMR能检测低自旋密度样品。基于我们近十年来在超极化研究的技术积累和广泛经验，我们目前正在研发超极化仪器，用于提高磁共振医疗成像和化学分析的灵敏度。

       2.肺部MRI方法与技术研究

研究背景：卫生部：肺癌取代肝癌成为我国首位肿瘤死因（来源：新华社）

左图为传统肺部MRI：信号源：水（H₂O）～10²² ¹H原子

右图为超极化肺部MRI：信号源：³He气体～10¹⁰ ³He原子

目前肺癌是导致人类死亡的第一大癌症。肺主要由肺泡组成，质子密度很低，因此传统的核磁共振方法不能对肺部进行成像。虽然目前CT和X射线都能够用来对肺部进行成像，但是以上两种技术都具有放射性，并且只能得到肺部的结构信息，往往检测到癌症都到了晚期。基于超极化气体的MRI，不仅能提供肺部结构信息，也能给予肺部的功能信息，例如肺组织气体交换功能等。我们掌握着超极化的核心技术，并且拥有专利多项。

本项目实施旨在发展超极化气体的磁共振成像医疗诊断仪器，填补目前医院MRI做肺部成像的“盲区”，满足临床医学对分析测试新方法的需求，对肺癌和肺部疾病的诊疗有重要意义，并惠及医疗诊断技术和公共医疗卫生事业。

3.超灵敏分子探针与分子影像学

¹²⁹Xe MRI是近年来比较热门的分子影像学方法之一，它将超极化¹²⁹Xe的高灵敏度和分子探针结合在一起，提供了探测超低浓度化学分子或癌细胞的一种非常有潜力的技术发展方向。

超极化¹²⁹Xe MRI分子影像学最终能解决两个问题：第一，能探测超低浓度化学或生物分子，即拥有比所有传统MRI方法更高的灵敏度，并能检测出被检物的特定化学或生物分子的超低浓度值。第二，能够空间定位超低浓度化学分子或癌细胞的位置。

4.原子磁力计和激光探测磁共振

目前常规NMR谱仪使用射频线圈探测核磁样品的NMR信号，由于电磁感应定律的原因，该方法的磁探测灵敏度严重依赖于待测样品NMR信号的频率，而且其由射频能量转换到线圈内电流或电压信号的效率非常低，以致于需要用1-10T的强磁场对样品进行预先极化。同时为了保证NMR谱线的分辨率足够好，需要强场的均匀性特别好，这就需要用昂贵的超导线圈通电流产生稳定且均匀的磁场。这使得当前NMR谱仪的价格与运行成本非常之高。

我们使用一种新的方法---原子磁力计实现激光探测NMR。由激光与碱金属原子相互作用研制出高磁探测灵敏度的原子磁力计，即使在极弱的磁场下，它的灵敏度也几乎不发生变化。辅以预极化或超极化技术，足够探测到核磁样品的NMR信号。这种技术提供了一种新的低场NMR研究方法，降低了NMR应用于化学生物和医学研究的成本。