为什么基础研究很重要：从核磁共振技术中获得的启示

本文以核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）为例，阐述基础科学研究如何通过长期积累催生重大技术突破，推动医疗、材料及药物开发等领域的革新，并产生显著经济效益，强调基础研究对社会的深远影响。

　　

引言与目的

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在过去的几年中，越来越明显的是，科学家必须更好地传达由好奇心驱动的基础科学研究的重要性和广泛的社会效益。这些效益包括培养下一代STEM领导者以及推进人类知识。然而，同样重要的是，基础研究通过开发新技术对社会的直接影响，这些新技术改善了健康、总体生活水平和经济。在这篇专题文章中，我的目标是通过核磁共振（NMR）光谱和成像的例子来突出这些影响。这一领域源于物理学和化学的基础研究，当这些基本发现被做出时，其长期意义是无法预测的。这些早期的研究突破得到了私人和公共资金的支持，展示了在基础科学上的投资可以产生广泛且具有变革性的应用。我选择NMR作为一个关键例子，因为尽管我不是该领域的发展或应用专家，但在我的职业生涯中，我和我的学生们从NMR光谱在有机、有机金属和无机材料分析中的应用中受益匪浅。我作为本科生时使用Varian A-60光谱仪的早期实践经验，是激励我从事化学事业的重要因素。最后，我需要指出，这篇专题文章并不是对NMR或磁共振成像（MRI）历史的权威性回顾；寻求全面回顾和原始参考资料的读者应参考更专业的资源。

核磁共振光谱

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几个研究核自旋产生的量子效应基本原理的团队促成了NMR光谱的发展。这些团队的工作得益于同时发生的射频（RF）和微波电磁辐射的生成与测量技术的进步，这些进步部分是由于第二次世界大战期间通信和雷达的发展所推动的。第一个重要的发现来自Rabi及其同事，他们证明了在磁场中施加弱RF电磁场可以导致LiCl分子束的偏转（图1）。(2)这种偏转效应被归因于“Li和Cl的共振峰”。Rabi的工作得到了哥伦比亚大学Ernst Kempton Adams物理研究基金的支持。

图1

图1. 在磁场中施加弱射频场时LiCl分子束的偏转。摘自参考文献(2)

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在Rabi的工作之后不久，有两个同时发生的发现，观察到核自旋共振在凝聚态物质中的效应。首先，Purcell及其在麻省理工学院（MIT）辐射实验室的同事们在1945年12月24日提交的一篇论文中报告了固体石蜡（碳氢化合物）中的质子吸收RF的现象，这些石蜡被放置在一个大型电磁体的腔内。(3)几周后，Bloch及其同事在一篇简短的通讯中报告了在磁场中观察到水样品中的质子共振。(4)虽然这些论文没有具体说明基础研究的资金来源，但Purcell是哈佛大学的访问学者，在MIT辐射实验室工作，该实验室得到了美国科学研究与发展办公室（OSRD）的支持。Rabi因“用于记录原子核磁性的共振方法”而在1944年获得诺贝尔物理学奖，Purcell和Bloch因“开发新的核磁共振精密测量方法”而在1952年共同获得了诺贝尔物理学奖。

这一领域源于物理学和化学的基础研究，当这些基本发现被做出时，其长期意义是无法预测的。

接下来的15年是NMR技术迅速发展的时期，这表明该技术可以成为化学科学中一个强大的分析工具。这些发展受到了初创公司Varian Associates的推动，该公司是1953年斯坦福研究园区的首批入驻企业。(5)Varian获得了NMR的首项专利，并利用它开发了第一台商用NMR光谱仪（图2）。(5)这些仪器使得不擅长电磁学或RF工程的科学家能够专注于将光谱技术应用于他们的科学研究。重要的发现包括化学位移（(6,7)、自旋-自旋耦合（(8)，随后NMR被应用于越来越复杂的有机化合物。J. D. Roberts于1959年撰写的标志性书籍(9)向有机化学家解释了NMR的基本原理和多样化的应用。尽管详细的资金历史难以重建，但已发布的记录显示，大学、基金会、工业界和政府的资金支持推动了NMR领域的研究人员通过基础科学研究的发展。

图2

图2. 仪器技术的进步推动了NMR在科学和医学中的应用。a) 第一台商用NMR光谱仪的广告，这是一种基于电磁体的光谱仪，工作频率为60 MHz，用于质子光谱分析。摘自参考文献(13)

。版权属于1961年ACS Publications。b) 现代高场NMR光谱仪。摘自参考文献(14)。根据CC BY-SA 3.0许可使用。版权属于2011年Lionel Allorge。c) MRI成像机。摘自参考文献(15)。根据CC BY-SA 4.0许可使用。版权属于2015年Tomá? Vendi?。

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在20世纪50年代末到60年代末的十年间，NMR在化学中的应用迅速发展。许多化学系获得了NMR仪器，使其能够常规用于分析和研究有机及无机化合物和材料。虽然NMR的应用使许多化学子学科受益，但最直接和深远的影响可能是对有机化学领域，常规质子NMR的使用使得复杂有机分子的快速分析成为可能，提供了其他分析方法无法提供的结构和立体异构性的详细信息。例如，它对类固醇的结构阐明非常有益，而类固醇是合成药物开发的目标。(10)尽管这一科学进步有很多影响，但很明显，药物开发领域受益匪浅，因为NMR促进了合成化学方法的快速进步、有机结构的鉴定（包括区域和立体化学）以及天然产物的结构阐明。这些进步的货币和非货币效益难以量化，但它们对社会的重要性是显而易见的。

NMR光谱的现代时代始于脉冲傅里叶变换（FT）NMR的出现以及基于低温超导磁体的高场仪器的发展（图2b）。Ernst和Anderson在1967年首次实际展示了FT NMR(11)，但该技术的广泛应用与微型计算机的发展相结合，这些计算机可以与仪器配合使用，实现数据的快速现场处理。NMR的科学和应用在1970至1990年间继续迅速发展，实现了许多重要应用，包括使用2D NMR来阐明蛋白质的结构(12)。

从这个角度来看，可以很容易地认识到NMR光谱在历史和当今的经济和社会方面的广泛贡献。其中一些效益来自以下领域：1) 加速药物发现和开发；2) 化学、食品、农业和药物的质量控制及合规性；3) 化学和生物化学研究和开发的效率提高；4) 对聚合物和材料发展的加速，这些材料对能源、电子、航空航天和石化等多个行业都很重要。

所有这些效益都源于上述由少数科学家在各种资金支持下进行的基础科学研究。

磁共振成像

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核磁共振在生物成像中的应用，即磁共振成像（MRI），源于几位对基础发现感兴趣的科学家的贡献。Paul Lauterbur在担任化学系教员时提出了利用磁场梯度从磁共振信号生成2D图像的概念。他的工作首次在1973年得到报道(16)，并且使用的是石溪大学化学系的Varian A-60仪器。(17)不久之后，诺丁汉大学的物理学家Peter Mansfield开发了数学分析技术，使得快速成像成为可能(18)，从而形成了实际的磁共振成像方法。这些早期的基础研究突破促进了该领域的快速发展，最终产生了第一张人类MRI图像(19)，并且在基础发现后的十年多时间里，这项技术实现了商业化。

尽管早期的MRI研究是由少数科学家在其机构的支持下进行的，但MRI显然是医学科学中最重要的突破之一，其重要性可与X射线成像相媲美。尽管资本和运营成本很高，MRI已成为现代医学中最具经济影响的技术之一。全球MRI机器市场的年销售额超过60-80亿美元，如果包括仪器支持和服务的话，这个数字还会更高(20)。全球大约有38,000台MRI扫描仪安装在医院和成像中心(21)。这些安装的MRI仪器每年支持数千万次诊断成像研究，每项研究的平均费用至少为1000美元，形成了一个涉及超过10万名医疗专业人员的数十亿美元医疗产业。除了直接临床应用外，MRI还推动了生物技术、药物开发和医疗人工智能领域的经济活动，其中成像生物标志物和先进的重建工具缩短了临床试验时间，并促进了新的治疗策略。因此，MRI既是主要的成本中心，也是重要的成本节约来源，对全球医疗保健支出和创新产生了重大影响。

除了本文提到的从NMR到MRI的发展轨迹外，超极化技术的持续进步（包括基于过氢的方法、动态核极化以及多核NMR（例如¹³C、¹⁵N、³¹P、¹²⁹Xe））进一步扩展了磁共振的灵敏度、应用范围和生物医学影响(22?24)

由好奇心驱动的基础研究可以带来意想不到的、具有变革性的突破。

总结

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这篇专题文章以核磁共振为例，说明了由好奇心驱动的基础科学研究如何能够带来对社会和全球经济具有深远影响的新技术和突破性发展。这是一个显著的例子，表明少数独立工作的科学家进行的基础实验最终可以产生具有广泛社会和经济影响的技术。我希望这个例子既能激励追求创新技术的年轻科学家和工程师，也能提醒机构和资金决策者在资源分配方面的考虑。虽然优先考虑发展性和应用性研究的资金似乎是最佳选择，但必须记住，由好奇心驱动的基础研究可以带来意想不到的、具有变革性的突破。