核磁共振波譜法

1、核磁共振波譜法磁矩是由許多原子核所具有的內(nèi)部角動量或自旋引起的，自 1940 年以來研 究磁矩的技術(shù)已得到了發(fā)展。 物理學家正在從事的核理論的基礎(chǔ)研究為這一工作 奠定了基礎(chǔ)。 1933年， GO斯特恩（ Stern）和 I 艾斯特曼（ Estermann）對核粒 子的磁矩進行了第一次粗略測定。美國哥倫比亞的 I I 拉比（ Rabi 生于 1898 年） 的實驗室在這個領(lǐng)域的研究中獲得了進展。 這些研究對核理論的發(fā)展起了很大的 作用。當受到強磁場加速的原子束加以一個已知頻率的弱振蕩磁場時原子核就要 吸收某些頻率的能量， 同時躍遷到較高的磁場亞層中。 通過測定原子束在頻率逐 漸變化的磁場中的強度

2、， 就可測定原子核吸收頻率的大小。 這種技術(shù)起初被用于 氣體物質(zhì)，后來通過斯坦福的 F.布絡(luò)赫（ Bloch生于 1905年）和哈佛大學的 EM珀 塞爾（ Puccell生于 1912 年）的工作擴大應(yīng)用到液體和固體。布絡(luò)赫小組第一次 測定了水中質(zhì)子的共振吸收， 而珀塞爾小組第一次測定了固態(tài)鏈烷烴中質(zhì)子的共 振吸收。自從 1946 年進行這些研究以來，這個領(lǐng)域已經(jīng)迅速得到了發(fā)展。物理 學家利用這門技術(shù)研究原子核的性質(zhì)， 同時化學家利用它進行化學反應(yīng)過程中的 鑒定和分析工作，以及研究絡(luò)合物、受阻轉(zhuǎn)動和固體缺陷等方面。 1949 年，WD奈 特證實，在外加磁場中某個原子核的共振頻率有時由該原子的化

3、學形式?jīng)Q定。 比 如，可看到乙醇中的質(zhì)子顯示三個獨立的峰，分別對應(yīng)于 CH3、CH2和 OH鍵中 的幾個質(zhì)子。這種所謂化學位移是與價電子對外加磁場所起的屏蔽效應(yīng)有關(guān)。（1）70 年代以來核磁共振技術(shù)在有機物的結(jié)構(gòu)，特別是天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的闡明 中起著極為重要的作用。目前，利用化學位移、裂分常數(shù)、 H HCos譜y 等來獲 得有機物的結(jié)構(gòu)信息已成為常規(guī)測試手段。近 20 年來核磁共振技術(shù)在譜儀性能 和測量方法上有了巨大的進步。 在譜儀硬件方面， 由于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展， 磁體的 磁場強度平均每 5 年提高 1.5 倍，到 80 年代末 600兆周的譜儀已開始實用，由 于各種先進而復(fù)雜的射頻技術(shù)的發(fā)展，

4、核磁共振的激勵和檢測技術(shù)有了很大的提 高。此外， 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， 不僅能對激發(fā)核共振的脈沖序列和數(shù)據(jù)采集 作嚴格而精細的控制， 而且能對得到的大量的數(shù)據(jù)作各種復(fù)雜的變換和處理。 在 譜儀的軟件方面最突出的技術(shù)進步就是二維核磁共振 （2DNMR ）方法的發(fā)展。 它從根本上改變了 NMR 技術(shù)用于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的方式，大大提高了 NMR 技術(shù)所提供的關(guān)于分子結(jié)構(gòu)信息的質(zhì)和量， 使 NMR 技術(shù)成為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題 的最重要的物理方法。 2DNMR 技術(shù)能提供分子中各種核之間的多種多樣的相關(guān)信息， 如核之 間通過化學鍵的自旋偶合相關(guān)，通過空間的偶極偶合（ NOE）相關(guān)，同種核之間 的偶合相

5、關(guān)，異種核之間的偶合相關(guān)，核與核之間直接的相關(guān)和遠程的相關(guān)等。 根據(jù)這些相關(guān)信息， 就可以把分子中的原子通過化學鍵或空間關(guān)系相互連接， 這 不僅大大簡化了分子結(jié)構(gòu)的解析過程，并且使之成為直接可靠的邏輯推理方法。 2DNMR 的發(fā)展，不僅大大提高了大量共振信號的分離能力，減少了共 振信號間的重疊， 并且能提供許多 1DNMR 波譜無法提供的結(jié)構(gòu)信息， 如互相 重疊的共振信號中每一組信號的精細裂分形態(tài)， 準確的耦合常數(shù)， 確定耦合常數(shù) 的符號和區(qū)分直接和遠程耦合等。 運用 2DNMR 技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的過程就是 NMR 信號的歸屬過程， 解 析過程的完成也就同時完成了 NMR 信號的歸屬。 完整而

6、準確的數(shù)據(jù)歸屬不僅為 分子結(jié)構(gòu)測定的可靠性提供了依據(jù)， 而且為復(fù)雜生物大分子的溶液高次構(gòu)造的測 定奠定了基礎(chǔ)。 2DNMR 的發(fā)展導(dǎo)致了雜核（ XNMR ），特別是 13CNMR 譜的廣泛 研究和利用。雜核大多是低豐度， 低靈敏度核種， 由于靈敏度低和難以信號歸屬， 以往利用不多。但 X NMR 譜包含有大量的有用結(jié)構(gòu)信息，新穎的異核相關(guān)譜 （HETCosy）提供的異核之間的相關(guān)信息（如 HC，C C，HP，HN） 不僅為這些雜核的信號歸屬提供了依據(jù)，而且能提供 HNMR 所不能提供的重 要結(jié)構(gòu)信息。 2DNMR 技術(shù)的發(fā)展也促進了 NOE 的研究和應(yīng)用的發(fā)展。 NOE 反映了 核與核在空間的

7、相互接近關(guān)系， 因此它不僅能提供核與核之間 （或質(zhì)子自旋耦合 鏈之間）通過空間的連接關(guān)系， 而且能用來研究核在空間的相互排布即分子的構(gòu) 型和構(gòu)象問題。2D NMR 技術(shù)由于其突出的優(yōu)點和巨大的潛力，在譜儀硬件能夠滿足 2DNMR 實驗（即進入 80 年代）以后的短短幾年時間內(nèi)，已有 1000 余篇論文 和數(shù)十種評論和專著出現(xiàn)。（2）NMR 中新的實驗和應(yīng)用幾乎每天都在出現(xiàn)， NMR 技術(shù)本身今后將繼續(xù) 就如何得到更多的相關(guān)信息， 簡化圖譜， 改善和提高檢測靈敏度等幾方面進行發(fā) 展，其中最富有發(fā)展前景的新技術(shù)有： 選擇和多重選擇激勵技術(shù)， 進一步發(fā)展多量子技術(shù)， 通過采用先進的射頻 技術(shù)激發(fā)那些

8、在通常情況下禁阻的， 極其微弱的多量子躍遷。 選擇性地探測分子 內(nèi)核與核之間的特定相關(guān)關(guān)系?；蛲ㄟ^特形脈沖（ shaped pulse）和軟脈沖選擇 性地激發(fā)某些特定的核，集中研究某些感興趣的結(jié)構(gòu)問題。 “反向”和“接力”的檢測技術(shù)，在異核相關(guān)譜方面，采用反向檢測（稱 之為 inverseNMR，即通過 H 檢測來替代以往的用雜核檢測的測試方法）可大大 提高異核相關(guān)譜的檢測靈敏度（約 1 個數(shù)量級）。在同核相關(guān)譜方面，通過接力 相干轉(zhuǎn)移（ RCT1），多重接力相干遷移（ RCT2）和各向同性混合的相干轉(zhuǎn) 移技術(shù)（如 HOHAHA ）可用來解決復(fù)雜分子（包括生物大分子）的自旋偶合解 析和信號歸屬

9、問題。 發(fā)展并應(yīng)用譜的編輯技術(shù)， 利用 NMR 本身在激發(fā)和接收方面的多種多樣 的選擇和壓制技術(shù)，可對十分復(fù)雜的 NMR 信號進行分類編輯。 發(fā)展三維核磁共振（ 3DNMR ）技術(shù)，隨著 NMR 的研究對象向生物大 分子轉(zhuǎn)移， NMR 技術(shù)所提供的結(jié)構(gòu)信息的數(shù)量和復(fù)雜性呈幾何級數(shù)增加，近來 已出現(xiàn) 3DNMR 技術(shù)來替代 2D NMR 方法，用于生物大分子的結(jié)構(gòu)測定。 初 步探索的結(jié)果表明 3DNMR 方法不僅進一步提高了信號的分離能力， 并且能提 供許多 2DNMR 方法所不能提供的結(jié)構(gòu)信息，大大簡化結(jié)構(gòu)解析過程。 3DNMR 測定方法的廣泛使用還有待于測定方法進一步改進和計算機技術(shù)的 進步

10、。 與分子力學計算相結(jié)合，發(fā)展分子模型技術(shù)。在 NNR 信號完全歸屬的基 礎(chǔ)上，利用 NOE 所提供的分子中質(zhì)子間的距離信息、計算分子三維立體構(gòu)造的 技術(shù)近年來在多肽和小蛋白質(zhì)分子的研究中取得了巨大的成功。 以距離幾何算法 和分子動力學為基礎(chǔ)的分子模型技術(shù)（ molecular modelling）正在逐步應(yīng)用于其 它各種生物分子的溶液構(gòu)象問題。 但在大分子與小分子或小分子與小分子相互作 用的體系還有許多問題有待解決， 例如在運動條件不利的體系中如何得到距離信 息和距離信息的精度等。（3）NMR 波譜技術(shù)今后最富有前景的應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個方面： 繼續(xù)幫助有機化學家從自然界尋找具有生物活性的新穎

11、有機化合物， 今后 這方面的研究重點是結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系。 即研究這些物質(zhì)在參與生命過程時與生 物大分子（如受體）或其它小分子相互作用的結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)特征。 更多地用于多肽和蛋白質(zhì)在溶液中高次構(gòu)造的解析， 成為蛋白質(zhì)工程和分 子生物學中研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的重要工具。 并朝著采用穩(wěn)定同位素標記 光學 CIDNP 法與 2DNMR ，3DNMR 技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展。 NMR 技術(shù)將廣泛用于核酸化學，確定 DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)的類型和它的序 列特異性。研究課題將集中在核酸與配體的相互作用，其中核酸與蛋白質(zhì)分子、 核酸與小分子藥物的相互作用是最重要的方面。 NMR 技術(shù)對于糖化學的應(yīng)用將顯示出越來越大的潛力，采用 NMR 技術(shù) 來測定寡糖的序列， 連接方式和連接位置， 確定糖的構(gòu)型和寡糖在溶液中的立體 化學以及與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)特征將是重要的研究領(lǐng)域。 NMR 技術(shù)將更多地用于研究動態(tài)的分子結(jié)構(gòu)和在快速平衡中的變化。以 深層理解分子的結(jié)