核磁共振技术的应用

核磁共振技术的应用 核磁共振技术的应用 一、简介： 19世纪人们致力于探索化学分子的性质，化学反应第一次能被预言，由此导致了化学工业前所未有的发展。 20世纪上半叶的量子力学革命，使人们能理解分子结构的起因并能计算分子的电子结构。化学键从一系列规则发展成为具有坚实基础的可靠理论。20世纪下半叶，量子力学知识最终得到充分的利用。人们很快认识到：通过紫外、可见、红外光谱区的光谱，分子的分立能级之间的跃迁对于分子的鉴定是非常特征的。同时也认识到X射线衍射对晶体物质分子结构鉴定的重要性。与此同时，质谱成为确定分子的结构学和连接顺序的强有力的方法。最后，核磁共振被认为是研究分子性质的最通用，最权威的技术：从三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应和超分子集体。 在以往的50年里，光谱学已经全然改变了化学家、生物学家、生物医学家、材料学家、药学家等的日常工作。光谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最可靠、最有效的手段之一，它们在将来的科学和技术发展中仍将必不可少。 建立在（光）波谱学基础上的结构鉴定是化学和物理的边缘科学，是化学的前沿学科之一。NMR波谱学是物理学、化学以及生命科学等多学科研究物质成分、结构和动态强有力的常规工具。它对有机化学、生物化学、材料化学、植物化学、药物化学乃至物理化学、无机化学等均起着积极的推动作用。它在药学、化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。波谱学有很强的理论性，也有很高的应用性，快速、灵敏、准确是它的应用特点。 波谱学中的核磁共振是1946年由美国斯坦福大学F. Bloch和哈佛大学E. M. Purcell 各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振不仅形成为一门有完整理论的新兴学科———核磁共振波谱学，而且，在这50年间已有12位科学家因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖。 现在，核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入到物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。已经从物理学渗透到化学、生物、地质、药学、医学、农业、环境、矿业、脑科学、量子计算机、纳米材料、C60、软物质、超导材料以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。 二、核磁共振原理简介： 核磁共振的原理主要是：普通红外光是指波长在2-15um的电磁波，紫外光（又称近紫外光）是指波长在200－400nm的电磁波，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance）是指频率在60兆赫以上（波长在纳米级）的低能量电磁波与物质原子核相互作用的一种物理现象。 紫外光的能量较大，故当它照射到分子上时，会引起分子中价电子能级的跃迁。红外光的能量较低，它只能引起分子中成键原子核间振动和转动能级的跃迁。核磁共振波的能量更低，它产生的是原子核自旋能级的跃迁。 原子核除了具有电荷和质量外，约有半数以上的原子核具有自旋。由于原子核是带电荷的粒子，旋转时即产生一小磁场。这些原子核的能量在强磁场中将分裂成两个或两个以上的量子化能级。当适当波长的电磁辐射照射这些在磁场中的核时，原子核便在这些磁诱导能级之间发生跃迁，并产生强弱不同的吸收讯号。这些吸收讯号就是核磁共振信号，通过电路的放大，计算机的傅立叶变换，最后得到相关的谱图，这就是核磁共振谱图。 核磁共振仪主要由磁体、谱仪、探头和工作站四部分组成。 磁体的作用是提供一个稳定的高强度磁场，目前商业核磁已经能够提供950MHz的超强磁场，对于医学院和药学系，一般400MHz的磁场已经能够满足实际需要。 谱仪用于供给固定频率的电磁辐射。 样品管安放在检测探头中可使样品管固定在磁场中某一确定的位置。接受线圈和传送线圈也安装在检测探头中，以保证样品相对于这些组件的位置不变。检测探头还装有气动涡轮，能使样品管绕其轴迅速旋转，以减少磁场不均匀影响。 工作站用于发出指令和处理相关数据。 三、核磁共振分类： 核磁共振可分为：固体核磁共振、液体核磁共振以及核磁共振成像。 1、​ 固体核磁共振应用的范围：不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属以及非金属材料。固相核磁（除固体物理用固体核磁外）使用普及率不高 2、液体核磁共振应用范围（目前是主要的）：有机化合物，天然产物，生物大分子。溶液高分辨核磁共振在化学中主要应用：1）基本化学结构的确定、立体构型和构象的确定；2）化学反应机理研究、化学反应速度测定；3）化学、物理变化过程的跟踪；4)化学平衡的研究及平衡常数的测定；5）溶液中分子的相互作用及分子运动的研究（氢键相互作用、分子链的缠结、胶束的结构等）；6）混合物的快速成分分析（LC-NMR, DOSY)。液体核磁共振在生物大分子在溶液中的主要应用主要有一下几个方面：1）测定生物大分子在溶液中的三维结构：是目前为止唯一能够准确测定生物大分子在溶液中的三维结构的方法；2）蛋白质与核酸的相互作用：分子生物学、分子遗传学、基因调控、药物设计等领域中都要涉及的重大问题；3）蛋白质卷曲和折叠研究：研究卷曲和折叠的动力学过程；4）药物设计：研究激素-受体复合物；酶与底物的复合物；功能蛋白与靶分子复合物，特别是关于结合点的结构信息。 例一，确定分子结构。用核磁共振法得到乙基苯的核磁共振谱图如图8所示。由图可见位于乙基苯中不同的化学集团 (甲基) (次甲基) (苯基)中的氢核，因其化学环境不同而有不同的化学位移 ， 依次为1.22ppm,2.63ppm和7.18ppm，而物质TMS的 。 图中显示出：不同化学集团处有不同的峰值数，这是由于不同化学集团间核的自旋耦合作用引起的能级分裂而造成的。谱线还有一定的宽度，吸收峰的面积正比于相 应化学集团中氢核的数目。因而对吸收曲线所包围面积进行积分，便可知各化学集团中包含氢核的数目。核磁共振仪中配置的电子积分器，可把谱线强度画成阶梯式 的线，以阶梯的高度代峰面积的相对值。由图8可知，乙基苯三个化学集团中氢核的数目比为5:2:3。 3、核磁共振成像技术主要是临床诊断的成像、研究动植物形态的微成像、功能成像和分子成像。 例二，核磁共振MRI。核磁共振成像（NMR成像）被广泛地用于医疗诊断上，其中最常用是平面成象，即获取样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成象，也就是常说的核磁共振CT(computed topography)。就人体而言，体内的大部分(75%)物质都是水，且不同组织中水的含量也不同。用核磁共振CT手段可测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是质子密度分布的图像。当体内遭受某种疾病时，其含水量分布就会发生变化，利用氢核的核磁共振就能诊断出来。图9所 示的人体成像装置核磁共振成像系统由磁体系统、谱仪系统、计算机系统和图象显示系统组成。磁体系统由主磁体、梯度线圈、垫补线圈和与主磁场正交的射频线圈 组成，是核磁共振发生和产生信号的主体部分。谱仪系统是产生磁共振现象并采用磁共振信号的装置，主要由梯度场发生器和控制系统、MR信号接收和控制等部分组成。计算机图象重建系统要求配备大容量计算机和高分辨的模数转换器（analog/difital converter, A/D），以完成数据采集、累加、傅立叶转换、数据处理和图象显示。 过去诊断人体内部的病变只能靠计算机辅助X射线层析技术（CT）。今天，核磁共振层析术已成为医学上一种普遍使用的重要诊断手段。图10是人的头部纵剖面的NMR像，它显示了X射线成像看不到的细节。NMR成像还有一个好处，就是对病人无辐射危害。因此，这一技术存在着广阔的应用前景。 四、应用范围： 液体核磁共振已经显示出它的广泛应用： 近年来，随着NMR磁场强度的提高，NMR已经形成了从400兆到950兆一系列的产品。随着场强的不断提高、以及谱仪自身的改进，NMR对确定物质结构尤其是确定生物大分子蛋白、核酸的物质结构就成为了独一无二的手段。正因为如此，2002年的诺贝尔化学奖授予瑞士ETH的Wűthrich,表彰他用多维NMR波谱学在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性贡献。 1、核磁共振在化学分析中正发挥越来越大的作用，它不仅是一种研究手段，也是常规分析中不可缺少的一种手段。用它可以对样品进行定性和定量的分析，确定反应过程及反应机理。用它还可以研究各种化学键的性质，研究溶液中的动态平衡，测量液体的粘度，确定各种物质在生产过程中的一些其它性质和控制生产等。 利用1H、13C、15N、31P等核磁共振谱确定有机化合物分子结构和变化，原子的空间位置和相互间的关联。 2、材料科学领域：高功率固体NMR是研究高分子聚合物、玻璃、陶瓷、煤、树脂、新型表面活性剂、压电物质的研究等非常重要的、有的时候甚至是唯一的方法。应用化学中精细有机合成的进一步发展，各种新型表面活性剂 的合成、涂料的改性、水处理技术添加剂的研制、新型激光材料以 及有机反应过程的动态和稳态的研究都必须依靠固体NMR谱仪的配合。高分子化合物聚合度的研究；高分子材料在变温条件下，分子结构的动态变化研究；测定自扩散系数、化学交换系数随温度变化的研究，核磁共振显示出在动力学方面的功能。 利用核磁共振方法有可能解决某些属于分子结构和晶体结构的问题，有可能研究固体中分子运动的性质，研究结构相变（例如铁电体的结构相变），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精细场等。 利用核磁共振方法研究硅酸盐材料中硅结构的变化，可以知道水泥中硅的聚合度。可以研究硅酸盐玻璃中铝的配位结构及其变化。 3、在药学中可以用它分析各种中药和西药的结构。 极化转移(PT)是一种非常实技术，它用二种特殊的脉冲序列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移，从而提高非灵敏核的观测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏度的富核处“借”到了极化强度。   药物结构研究领域：核磁共振技术在创新药物研究及药物质量控制方面具有广泛的应用，不仅能定性定量分析药物及杂质，而且能建立复杂的中药指纹图谱。此外，液体NMR还能分析药物的稳定性和药物代谢，测定靶蛋白的溶液空间结构及其动力学，研究靶蛋白与药物分子的相互作用不仅能定性定量分析药物及杂质，而且能建立复杂的中药指纹图谱，等等。近年来，国际药典、欧洲药典及美国药典指定NMR谱学技术作为对药物进行分子结构鉴定和药剂的定量研究主要工具。 4、在石油分析中，用它做定性和定量分析。 在日用化学和食品工业中，使用核磁测量物质的含水量和含油量以及其它性质。 5、1953年，生物学上出现了一次引人注目的重大突破———揭示了遗传之迷，发现了核糖核酸是遗传的物质基础，从而使生物学进入了第三个发展阶段，即分子生物学阶段。生物学之所以发展到这一阶段，主要是引入了大量的高精密实验观测和检测手段，如核磁共振谱仪、色谱仪、激光发射光谱仪等。 生物中的有机相酶促反应、药物合成、生化反应及分离过程、杂环化学、电合成化学及环境生物治理等，恰是NMR谱仪在生物学、药物学和环境化学上发挥重要作用的领域。 生命科学领域：本世纪一开始，人类基因组取得重大进展，迎来了后基因组时代。国际上，结构基因组计划已提到日程上来了。分子生物学中一个众所周知的事实是蛋白质生物活性和功能的多是在溶液中显现的。而能用于探测溶液中蛋白质的三维构象的唯一手段就是NMR。正因为如此，2002年的诺贝尔化学奖授予瑞士ETH的Wűthrich,表彰他用多维NMR波谱学在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性贡献。 最具前沿科学的不溶性蛋白或膜蛋白空间三位结构研究也需要用到固体核磁。 6、化学工程与技术中，分子模拟是其中一项研究内容，模拟以后，实际合成的检验必须要有可以推断分子结构的仪器来证明分子模拟的正确性，NMR则可以胜任这一检验工作。 7、在膜的研究中，有关膜的制备及分离或合成物质的结构鉴定、物质结构环境的变化及跟踪膜催化的反应机理等需要NMR谱仪。 8、精细有机合成，环保中水质稳定剂和水质处理剂的机理、过程研究，合成反应过程的在线监控和原料、最终产品的质量监控都离不开使用NMR谱仪。 五、大概使用单位： 在世界的许多大学、研究机构和著名企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们熟悉 的Dupont（杜邦）、ICI（卜内门）、Bayer（拜尔）、BASF（巴斯夫）、Hoechst（郝斯特）、Glaxo（格拉斯哥）、Smith Kline（史克）、P&G（宝洁）、Roche（罗氏）、Unilever（联合利华）、Merck（默克）、Fuji（富士）、Sandoz（山度士）、Taiheyo Cement（太平洋水泥）等。 在中国，液体核磁在企业中应用较为普遍，药明康德制药、和记黄埔制药、万全药业、上海药物所等都有核磁的应用。随着核磁谱仪的普及和核磁应用的开发，更多的领域将受益于核磁共振技术。 六、核磁共振发展前景： NMR波谱技术今后最富有前景的应用领域有以下几个方面： ①继续帮助有机化学家从自然界寻找具有生物活性的新颖有机化合物，今后这方面的研 究重点是结构与活性的关系。即研究这些物质在参与生命过程时与生物大分子（如受体 ）或其它小分子相互作用的结构特征和动态特征。 ②更多地用于多肽和蛋白质在溶液中高次构造的解析，成为蛋白质工程和分子生物学中 研究蛋白质结构与功能关系的重要工具。并朝着采用稳定同位素标记光学CIDNP法与2D- NMR，3D-NMR技术相结合的方向发展。 ③NMR技术将广泛用于核酸化学，确定DNA的螺旋结构的类型和它的序列特异性。研究课题将集中在核酸与配体的相互作用，其中核酸与蛋白质分子、核酸与小分子药物的相互 作用是最重要的方面。 ④NMR技术对于糖化学的应用将显示出越来越大的潜力，采用NMR技术来测定寡糖的序列，连接方式和连接位置，确定糖的构型和寡糖在溶液中的立体化学以及与蛋白质相互作 用的结构特征和动态特征将是重要的研究领域。 ⑤NMR技术将更多地用于研究动态的分子结构和在快速平衡中的变化。以深层理解分子的 结构，描示结构的动态特征，了解化学反应的中间态及相互匹配时能量的变化。 ⑥NMR技术将进一步深入生命科学和生物医学的研究领域，研究生物细胞和活组织的各种 生理过程的生物化学变化。 以上都是与溶液NMR研究有关的领域，近年来固体NMR研究的NMR成象（imaging）技术也取得了巨大的进步，并在材料科学和生物医学研究方面继续发挥重要的作用。 七、对学校的发展前景： 另外，核磁共振对于学院的教学和科研也是非常重要的： 1、NMR可以用与本科生 研究生的实验教学 2、为计量认证提供合格高质量的硬件设备，拓宽对外服务项目 3、近几年来，学校各学科需要承担和完成国家的如： 863 项目、“九五”攻关项目、973 项目，以及国家自认科学基金等重大国家科研项目，需要这样的大型仪器。 4、要发展本大学，拥有在化学、生物等领域的重要手段— NMR 谱仪是必不可少的。许多可以承担的重大科研项目和任务，由于仪器功能限制无法深入地进行研究。这一切对学校研究水平的提高和涌现更多更高质量的科技论文具有很大的限制。因此配置高档次的 NMR 谱仪已是当务之急。否则，在国内各大学、各研究机构纷纷大力提高科研装配水平，增强自身研究实力的激烈竞争中，学校难以与他们抗衡。 5、现在许多教师和研究生为了使研究项目进一步深入下去，不惜花大量经费到兄弟院校进行 NMR 测试。一来增加了麻烦，二来增加了费用。此外，其测试 1~2 次往往不能更深入解决课题的问题，给研究工作和研究水平带来很大的限制。所以，应从学校全局和发展的角度去看待如何应对科研水平的迅猛发展的激烈竞争。 6、管理方式： 面向全校的服务，结合兄弟院校的经验，拟对校新购置的核磁共振仪采用统一管理共同使用的原则。由学校直接管理和监督检查。由从事核磁共振的专业人员集中组成仪器的开发使用队伍。人员配备为 2~3 人,负责仪器功能开发、测试研究与人才培养,承担常规测试工作。同时要对学生开放，进行学生的教学和基础实验，与兄弟单位广泛开展合作性的研究。