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在传统磁共振测量中，样品容器限制了对液体样品动态现象的分子水平研究。研究人员开展了声悬浮与磁共振结合的研究，实现了对微升液滴的无接触磁共振研究，可实时捕捉分子相互作用，为材料表征等提供了新方法。
在科学研究的微观世界里，磁共振技术一直是探索物质分子结构和动态变化的有力武器。然而，传统的磁共振测量常常依赖样品容器，这就好比给研究加上了一层 “枷锁”。对于那些正在经历蒸发或者其他需要接触液 - 气界面的动态现象的液体样品来说，在分子水平上进行时间分辨研究变得困难重重 。比如，在研究液体蒸发过程中分子的变化时，容器的存在会干扰对真实过程的观察，无法精准捕捉分子在动态变化中的细微差异。为了突破这一困境，来自瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员开展了一项将声悬浮技术与磁共振相结合的研究。他们精心设计了一种消磁的声悬浮装置，利用超声波产生稳定的声压场，使微小的液滴能够在无接触的状态下悬浮起来，从而摆脱了样品容器的束缚。通过一系列实验，他们成功获取了悬浮液滴的磁共振图像和光谱，并且实时监测了液滴在蒸发等过程中的动态变化。这一研究成果意义非凡，它为材料表征、实时研究界面上的化学反应和酶促反应，以及蛋白质结晶等领域提供了全新的研究方法，让科学家们能够更深入地探索微观世界的奥秘。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是声悬浮技术，通过特定设计的消磁超声换能器，以六边形排列产生高强度声悬浮力，实现对 0.5 - 5 μL 液滴的稳定悬浮。其次是磁共振成像（MRI）技术，采用 FLASH、True - FISP 和 RARE 等不同脉冲序列，对悬浮液滴进行成像。最后是磁共振光谱（MRS）技术，运用 STEAM、PRESS、ISIS 等脉冲序列采集液滴光谱数据 ，从而全面分析液滴的分子信息。
声悬浮
研究人员优化设计了声悬浮装置，该装置由 18×2 个消磁的超声换能器组成，呈六边形排列。这种设计不仅能产生强大的声悬浮力，还能实现对悬浮样品的微米级稳定控制，小巧的尺寸使其能够轻松放入 66 mm 直径的 1H 磁共振成像探头中。为评估该装置在 7.05 T 磁场中的性能，研究人员测量了不同工作频率下的电流消耗。由于涡流影响，磁场内频率响应变宽，电流消耗降低。为保证装置性能，研究人员在磁场内操作时将电压提高 0.5 - 1.0 V，并选择 40 kHz 作为工作频率。此外，研究人员还通过模拟研究了介质温度对声压的影响，发现温度升高对中心节点附近声压影响可忽略不计。不过，声流现象可能会影响磁共振测量，虽然该研究中声悬浮装置产生的复杂声压场对液滴内部作用力影响与传统装置不同，但实验中观察到液滴可能随机绕 z 轴旋转，这会导致磁共振图像出现运动伪影，影响扩散测量，不过已有研究表明可控制物体旋转，为无接触研究带来更多可能。
自悬浮液滴的磁共振成像
研究人员在 9.0 V 电压下操作声悬浮装置，用玻璃注射器将十六烷液滴放置在中心节点，随后将装置送入 MRI 探头检测区。运用基于梯度回波的 FLASH 序列、True - FISP 序列和基于自旋回波的 RARE 序列对液滴成像，平面分辨率为 312.5 μm / 像素，切片厚度 1 mm。实验发现，FLASH 序列输入能量最低（1.4 W），True - FISP 序列为 12.6 W，RARE 序列激发和重聚焦脉冲能量分别高达 41 W 和 324 W，高能量使得液滴在测量过程中破裂。通过优化脉冲函数和降低平面分辨率至 1 mm / 像素后，成功获取了液滴在三个平面的磁共振图像。研究人员还对水滴进行悬浮实验，用 FLASH 序列在 8.5 min 内连续记录 4 幅图像。随着水滴蒸发，像素强度下降，通过分析图像可计算出液滴体积和纵横比。实验结果表明，液滴纵横比接近 1，且 xz 和 yz 平面计算出的纵横比差异小于 3%，这展示了利用该技术实时观察溶剂蒸发等动态现象和表征材料的潜力。
自悬浮液滴的磁共振光谱
研究人员在 9.0 V 电压下悬浮菜籽油滴，运用 STEAM、PRESS、ISIS 等局部脉冲序列和 NSPECT、Single Pulse 等非局部脉冲序列采集磁共振光谱，并与标准 NMR 光谱对比。发现 STEAM 序列线宽最宽，非局部脉冲序列信号更明显但基线非线性，经校正后与标准光谱对比，ISIS 和非局部脉冲序列光谱分辨率良好，表明液滴内磁场均匀。由于液滴形状会影响局部磁场强度，导致频率和化学位移变化，研究人员通过理论计算得出十六烷液滴化学位移与形状的关系。实验中，通过改变电压控制声压，进而改变十六烷液滴形状，采集不同电压下的磁共振光谱。结果显示，随着电压升高，化学位移增加，且化学位移变化对应的理论纵横比与磁共振图像测量值相符，这表明化学位移差异可有效估计悬浮液滴形状，同时也说明所采用的脉冲序列未使液滴温度显著升高。
探测自悬浮液滴内的分子相互作用
研究人员选择 50 wt% 的三甘醇（TEG）水溶液进行研究，在 9.0 V 电压下通过磁共振成像和光谱技术监测其蒸发过程。利用 FLASH 序列对液滴成像，发现前 3 - 6 min 像素强度因水蒸发下降 27 ± 5%，6 - 15 min 达到平稳。运用 ISIS 序列采集光谱，随着水蒸发， - OH 信号因氢键相互作用发生变化，最终水完全蒸发，TEG - OH 信号出现。通过绘制信号积分面积随时间变化曲线，发现 - OH 质子积分在 5 - 6 min 达到平稳，与成像结果一致，15 min 后归一化的 TEG 和 TEG - OH 积分最终平衡比为 6:1。此外，研究人员还发现 TEG 信号随时间向高场移动约 0.05 ppm，表明液滴在水蒸发过程中因体积减小和表面张力略微降低而变得更接近球形。这些测量结果表明，在高磁场环境下，可实时监测声悬浮液滴内的分子蒸发过程。
研究结论和讨论部分表明，该研究成功将声悬浮与 7.05 T 磁场相结合，实现了对微升液滴的无接触磁共振研究。非局部磁共振光谱脉冲序列能获得高分辨率光谱，优于标准 NMR 管光谱。研究还揭示了液滴形状与化学位移的直接关联，并实时监测了 50 wt% TEG 液滴的干燥过程和 - OH 质子交换动力学。这些成果为材料表征、实时研究界面动态现象提供了重要手段，推动了相关领域的发展。未来，随着该方法在磁共振成像和光谱学其他方面的进一步发展，有望为生命科学和健康医学等领域带来更多突破和创新。
