像分析《蒙娜丽莎》一样分析艺术品：利用低频电子顺磁共振实现无损、非侵入式和便携式检测
能否介绍一下您的职业和学术经历？您拥有约 年核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）研究背景，为何考虑开展（低频）电子顺磁共振研究？
我的科研生涯始于圣母大学的美国能源部辐射研究实验室，当时主要研究脉冲辐解产生的瞬态自由基的时间分辨电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）。这项研究虽然具有科学意义，但很难向非科研人员解释其相关性和重要性。之后，我继续在康奈尔大学担任博士后研究员，从事 EPR 波谱学研究。
然而，当我前往罗切斯特理工学院（RIT），开始第一份教学工作时，我希望寻找新的研究方向。彼时，MRI 刚刚实现商业化，并获准常规应用于人体。我认为，从研究电子自旋转向研究核自旋应该不会太困难，于是便开始从事 MRI 研究。
我开展了多个研究项目，包括用于四肢成像的高效 MRI 线圈设计、基于磁共振图像的多谱段组织分类，以及设计用于测试 MRI 系统性能的仿体。与此同时，我还为 Wiley 出版社编辑了《成像科学百科全书》，并撰写了两本介绍 MRI 和 NMR 基础知识的开放获取的超文本教材。
这些项目令人很有成就感，因为很容易向普通人解释其研究内容。MRI 当时正变得越来越普及，可 供探索的研究思路也层出不穷。遗憾的是，MRI设备的科研机时越来越难以获得，而且通常只有深夜时段才可使用。为了能有更多时间陪伴家人（也为了保证睡眠），我开始寻找不依赖临床成像机时、并可以在正常朝八晚五的工作时间内于 RIT 实验室开展的项目。
最终，我决定进入一个新的研究领域，重点利用 EPR 研究陶器和绘画等文化遗产物品。
您是否同意，（低频）EPR 通常不是人们研究具有历史价值文物时首先想到的技术？如果您同意，那么在您看来，LFEPR 能够为这一领域带来什么价值？
是的，我同意。提到对具有历史价值的文物进行成像，大多数人想到的都是光谱技术或 X 射线，这可能是因为这些技术更容易理解，也更容易与实际应用联系起来。
但实际上，没有任何一种技术能够为文化遗产科学家提供他们需要或希望了解的关于一幅画作的全部信息。文化遗产科学家使用的数十种分析技术彼此互补。
以研究隐藏层或底层画为例。人们可能会认为，X 射线成像或 X 射线荧光成像非常适合此类研究，因为对于大多数材料而言，X 射线可以穿透表面的可见层并进入更深处。但铅白是一个例外。铅白是一种常见的白色颜料，可用作未绘制画布上的底层、也可用于覆盖不需要的旧画层，或添加到某些颜料中作为增亮颜料，以获得所需的色彩明度。
如果您最近去看过牙医，或许知道在接受 X 射线成像时需要穿上铅围裙，因为 X 射线无法穿透铅。因此，在存在铅白的情况下，X 射线成像也难以获得有意义的结果。低频电子顺磁共振（Low-Frequency Electron Paramagnetic Resonance，LFEPR）波谱则可以轻松穿透铅白。因此，在这类应用中，LFEPR 与 X 射线成像可以形成互补。
不过，LFEPR 绝非完美无缺。EPR 检测的是自由基和过渡金属配合物中未成对电子产生的信号。许多文艺复兴时期的颜料都含有此类物质，但大多数现代有机颜料并不含有这些物质。因此，LFEPR 同样需要与用于研究文化遗产物品的其他多种分析技术相互补充。
要将您的 LFEPR 解决方案应用于具有历史价值的文物研究，需要解决的瓶颈是什么？
为了实现利用 LFEPR 研究具有历史价值文物的构想，我们需要突破许多技术瓶颈。其中最大的挑战可能是如何以非侵入、无损的方式分析任意尺寸的物品。
传统 EPR 波谱要求从待测物品上取下一块毫米尺寸的样品，再将其放入 EPR 波谱仪中。诚然，这项技术具有很高的灵敏度，能够提供非常有价值的信息，但即使您承诺分析完成后会完好无损地归还样品，也很难说服巴黎卢浮宫之类的博物馆，让他们从《蒙娜丽莎》上取下 1 mm 大小的样品交给您分析。取样过程本身就会破坏画作，而将样品重新粘回画作显然也不是一种可接受的解决方案。
我们的解决方案是开发 EPR 移动式通用表面探测器 (EPR Mobile Universal Surface Explorer, MOUSE). EPR MOUSE 是一种小型手持式 LFEPR 波谱仪附件，内置小型电磁体和用于检测 EPR 信号的射频接收线圈。
MOUSE 取代了体积大得多的电磁体，可以检测任意尺寸物品表面直径 3 mm 区域内的 EPR 信号。这意味着，无论是在实验室中，还是在西斯廷教堂的穹顶下，都可以使用 MOUSE 和 LFEPR 波谱仪，以非侵入、无损的方式分析画作上的一小块区域。样品尺寸不再是一项限制。
您选择了苏黎世仪器 UHFLI。能否介绍一下 UHFLI 为这一领域带来了哪些价值？
苏黎世仪器 UHFLI主要带来了两方面的重要价值。
第一，它改善了我们的检出限。研究结果表明，与现有的 LFEPR 系统相比，UHFLI 可将信噪比提高至 6.2 倍，并将波谱基线漂移降低至原来的十分之一。这两方面的改进都使我们能够检测到更微弱的信号。
UHFLI 带来的第二项价值是其出色的实用性。UHFLI 的直接数字检测功能与 LabOne® 软件的数字信号处理功能，使我们能够省去 LFEPR 波谱仪中的一些冗余组件，例如模拟射频解调模块、射频合成器、射频扫频器和示波器；与此同时，我们还能够加入锁相环，用于控制样品探头相对于射频源的频率漂移。
我很高兴看到 UHFLI 可以提供所有这些功能，并帮助我们进一步缩小 LFEPR 波谱仪的尺寸，使我们能够更轻松地将波谱仪带到画作所在之处。我们预计，UHFLI 可将 LFEPR 波谱仪的体积缩小至目前的 30%，并将重量减轻 50% 至约 23 kg，从而显著提高 LFEPR 波谱仪的便携性。
您认为 LFEPR 接下来将面临哪些重大挑战？
将 LFEPR 应用于文化遗产物品时，接下来的一项重大挑战是让更多人了解这种仪器的能力，使其能够被广泛接受，成为一种切实可行的分析工具，与传统的绘画分析技术形成互补。
科学家经过专业训练，通常会保持审慎和怀疑的态度；在将时间或资源投入一种新方法之前，他们需要看到充分的证据。我希望能够将波谱仪带到他们面前，亲自展示它的能力。
对于目前从事（低频）EPR 研究的年轻研究人员，您有何建议？
对于有志于开展 LFEPR 和文化遗产研究的年轻研究人员，我的建议是：LFEPR 是一个全新且快速发展的领域，其中蕴含着大量推动该学科发展的机会。
它让我想起 MRI 刚问世时我从中看到的巨大潜力。苏黎世仪器 UHFLI 等新型硬件正在不断得到开发并陆续推出，持续拓展 LFEPR 技术的能力与应用范围。