有機(jī)波譜分析課件：第一章 緒論

1、緒 論有機(jī)波譜分析教材： 波譜學(xué)原理及解析，常建華等主編（第二版），科學(xué)出版社，2006。推薦參考書(shū)： 1.有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定與有機(jī)波譜學(xué) ，寧永成編著，科學(xué)，2000。 2.有機(jī)化合物的波譜分析，姚新生等編，人民衛(wèi)生出版社，1981。 3. 唐恢同，有機(jī)化合物的光譜鑒定，北京大學(xué)出版社，1992年4、范康年，譜學(xué)導(dǎo)論，高等教育出版社，20015、 李潤(rùn)卿，范國(guó)梁，渠榮遴，有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析，天津大學(xué)出版社，2002年 6、 榮國(guó)斌譯，E. Pretsch, et.al., 波譜數(shù)據(jù)表有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析，華東理工大學(xué)出版社，2002年 7、張華，現(xiàn)代有機(jī)波譜分析學(xué)習(xí)指導(dǎo)與綜合練習(xí)，化學(xué)工業(yè)出版

2、社，2007年一、課程簡(jiǎn)介 波譜分析教程是藥學(xué)、化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，學(xué)分為2，總學(xué)時(shí)為32。本課程主要講授內(nèi)容包括：1. 緒論 （2學(xué)時(shí)）2. 紫外光譜（4學(xué)時(shí)）；3. 紅外光譜（6學(xué)時(shí)） ； 4. 核磁共振（氫譜和碳譜，12學(xué)時(shí)）；5. 質(zhì)譜（6學(xué)時(shí)） ； 6. 多譜綜合解析（2學(xué)時(shí)） 。 第一章 緒論 前言： 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征(即測(cè)定) 從分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本手段，是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。18世紀(jì)天平的應(yīng)用定量研究19世紀(jì)初期的原子學(xué)說(shuō)、原子分子論和19世紀(jì)中期原子價(jià)學(xué)說(shuō)、化學(xué)結(jié)構(gòu)理論、元素周期率分子結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)19世紀(jì)后半葉的質(zhì)量作用定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)

3、力學(xué)有機(jī)化合物系統(tǒng)鑒定法（定量分析、反應(yīng)平衡、溶解平衡、顏色反應(yīng)、降解、合成）波譜學(xué)的理論基礎(chǔ)：20世紀(jì)Planck的量子理論 Bohr的氫原子模型 Kssel、Lewis的原子價(jià)電子理論 初等量子論1905年Einstein的相對(duì)論光的波粒二相性 de Broglie的波動(dòng)方程物質(zhì)（電子）的波粒二相性1926年Schrdinger量子力學(xué)方程電子等微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及能級(jí)和能級(jí)躍遷選律的概念1927年Heitler、London創(chuàng)立量子化學(xué)，建立共價(jià)鍵的價(jià)鍵方法1928年Mulliken的分子軌道理論 Pauling的價(jià)鍵理論和雜化軌道理論 Hckel的簡(jiǎn)化分子軌道理論 多原子分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)型

4、和鍵的離域20世紀(jì)50年代起Woodward-Hoffman的軌道對(duì)稱守恒原理 Fukui-Hoffman的前線軌道理論 協(xié)同反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)的方向、產(chǎn)物的立體 選擇性與軌道對(duì)稱性的關(guān)系 一、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的經(jīng)典方法（有機(jī)化合物系統(tǒng)鑒定法） 20世紀(jì)中期以前，主要依靠化學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定，其基本過(guò)程是：其缺點(diǎn)是：費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢，需要的樣品量大。例如：鴉片中嗎啡堿結(jié)構(gòu)的測(cè)定，從1803年開(kāi)始研究，直至1952年才完全闡明，歷時(shí)149年。 1803年從鴉片中離析得到純品；1881年從嗎啡的鋅粉蒸餾得到菲；1925年Gulland和Robinson提出嗎啡 分子的結(jié)構(gòu)式；195219

5、56年完成嗎啡的全合成。二、波譜分析 20世紀(jì)中期以后，進(jìn)入以儀器（光譜）分析為主，經(jīng)典化學(xué)方法為輔的階段?，F(xiàn)在有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定所采用現(xiàn)代儀器分析法，其特點(diǎn)是： 樣品用量少，僅需毫克級(jí)甚至微克級(jí)純樣；分析方法多為非破壞性過(guò)程（質(zhì)譜除外）；分析速度快。例如：蛇根草中利血平結(jié)構(gòu)的測(cè)定，從1952年離析出純品，到1956Woodward等用軌道對(duì)稱性完成合成，歷時(shí)不到5年。 利血平 波譜分析方法不僅可以研究分子的結(jié)構(gòu)，而且還能探索到分子間各種集聚態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和構(gòu)象的狀況，對(duì)人類所面臨的生命科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，是極其重要的。非典的冠狀病毒的測(cè)定對(duì)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征應(yīng)用最為廣泛的是：紫外光譜(u

6、ltraviolet spectroscopy 縮寫(xiě)為UV)紅外光譜(infrared spectroscopy 縮寫(xiě)為IR)核磁共振譜(nuclear magnetic resonance 縮寫(xiě)為NMR) 質(zhì)譜(mass spectroscopy 縮寫(xiě)為MS)？苯丙烯酸的低分辨質(zhì)譜、紅外、60MHz核磁、紫外光譜“四譜”的產(chǎn)生？三.有機(jī)波譜引論1.光的本質(zhì) 光是一種電磁波，具有波粒二相性。波動(dòng)性：可用波長(zhǎng)( )、頻率(v )和波數(shù)( )來(lái)描述。 按量子力學(xué)，其關(guān)系為： 微粒性：可用光量子的能量來(lái)描述： 分子吸收電磁波，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，其吸收光的頻率與吸收能量的關(guān)系。由此可見(jiàn)，與E，v

7、成反比，即 ，v(每秒的振動(dòng)次數(shù))，E。2.分子運(yùn)動(dòng)形式及對(duì)應(yīng)的光譜范圍(P2) 在分子光譜中，根據(jù)電磁波的波長(zhǎng) ()劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，如下圖所示： 3.分子的總能量由以下幾種能量組成：4.“四譜”的產(chǎn)生帶電物質(zhì)粒子的質(zhì)量譜（MS） 電子：電子能級(jí)躍遷（UV）分子 原子 核自旋能級(jí)的躍遷（NMR） 振動(dòng)能級(jí)（IR）四.不飽和度（unsaturated number） （index of hydrogen deficiency） 根據(jù)分子式計(jì)算不飽和度，其經(jīng)驗(yàn)公式為： 式中：代表不飽和度；n1、n3、n4分別代表分 子中一價(jià)、三價(jià)和四價(jià)原子的數(shù)目。 雙鍵及飽和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的為1、三鍵為2、苯環(huán)為

8、4。說(shuō)明：（1）元素化合價(jià)不分正負(fù)，也不論何種元素，只按價(jià)分 類計(jì)算。（如C、Si；H、Cl） （2）元素化合價(jià)應(yīng)按其在化合物中實(shí)際提供的成鍵電子數(shù)計(jì)算。（3）對(duì)含有變價(jià)元素，如S、N、P等化合物，不防對(duì)每種可能化合價(jià)都作一次不飽和度的計(jì)算；然后根據(jù)波譜證據(jù)取舍之。（4）二價(jià)原子數(shù)目不直接進(jìn)入計(jì)算式。式中n5代表分子式中五價(jià)原子的數(shù)目。波譜實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備根據(jù)樣品的不同來(lái)源、不同性質(zhì)、不同純度、不同雜 質(zhì)組分以及不同波譜測(cè)定目的作樣品的準(zhǔn)備工作。1.樣品量（1）首先取決于波譜法的檢測(cè)靈敏度。MS（10-12g)、UV(10-6g）、IR、NMR(幾毫克）（2）與測(cè)定目的有關(guān)。定量分析比定性鑒定需

9、要的量要多，以保證稱量誤差 在一定范圍內(nèi)。（3）與樣品分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 相對(duì)分子質(zhì)量大的樣品需要的量也多。另外被檢測(cè)對(duì)象信號(hào)的大小也制約著取樣量。（4）在UV、IR、NMR中使用微量測(cè)定裝置可減少樣品量。2. 樣品的純度 影響鑒定結(jié)果準(zhǔn)確程度的關(guān)鍵是被測(cè)物的純度。 綜合使用物理常數(shù)測(cè)定和色譜分析兩種方法：（1） 通過(guò)物理常數(shù)測(cè)定判定樣品純度 固體樣測(cè)定熔點(diǎn)。 純樣品有固定的熔點(diǎn)和小的熔程。 純固體物質(zhì)熔程 0.5 。 液體樣測(cè)定沸點(diǎn)和折光率。 純樣品有固定的沸點(diǎn)和折光率、小的沸點(diǎn)范圍。（2）色譜法在樣品純度檢驗(yàn)中的應(yīng)用 色譜法是常用的樣品純度檢驗(yàn)手段之一，和物理常數(shù)測(cè) 定結(jié)合使用。 GC、HPL

10、C、TLC是常用的手段。 六 波譜分析與諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 諾貝爾獎(jiǎng)享有世界榮譽(yù)：設(shè)有物理、化學(xué)、生物或醫(yī)學(xué)、文學(xué)和和平五項(xiàng)獎(jiǎng)。1901年，瑞典皇家科學(xué)學(xué)院成立，根據(jù)諾貝爾遺愿，諾貝爾獎(jiǎng)金委員會(huì)首次頒獎(jiǎng)。迄今為止，諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)已有一百多年的歷史了。期間共頒發(fā)化學(xué)獎(jiǎng)100多次，8年因第一、二次世界大戰(zhàn)末頒獎(jiǎng)。 從最近幾十年來(lái)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)的情況來(lái)看，化學(xué)科學(xué)逐漸出現(xiàn)了和生命科學(xué)相融合的趨勢(shì)。在20世紀(jì)的最后25年里，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)有三分之一左右給予化學(xué)與分子生物學(xué)領(lǐng)域研究的成果。其中大部分獲得項(xiàng)目往往直接或間接地在波譜分析方面獲得了突破，可以說(shuō)誰(shuí)掌握了這一領(lǐng)域內(nèi)的最先進(jìn)的理論和實(shí)驗(yàn)技能并能充分利用它

11、，誰(shuí)就有可能在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，如： 2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)由在質(zhì)譜和核磁共振這兩個(gè)重要領(lǐng)域的科學(xué)家們分享。獲獎(jiǎng)?wù)?，質(zhì)譜領(lǐng)域的JohnBFenn(芬恩) 和Koichi Tanaka(田中耕一)，核磁共振領(lǐng)域的Kort Wuthrich，為生物化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。把波譜分析測(cè)試手段和設(shè)計(jì)合成方法應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域中的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的分析、新物質(zhì)的設(shè)計(jì)與合成以及生命活動(dòng)的反應(yīng)機(jī)理的研究，將化學(xué)科學(xué)理論、技術(shù)和生命科學(xué)技術(shù)、應(yīng)用逐步融合，將是未來(lái)一個(gè)非常重要的趨勢(shì)和這兩個(gè)學(xué)科發(fā)展的必然導(dǎo)向。 2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介 瑞典皇家科學(xué)院于2002年10月9日宣布，將2002年諾貝爾化學(xué)

12、獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家約翰芬恩(John BFenn)、日本科學(xué)家田中耕一(Koichi Tanaka)和瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼鼐S特里希(Kurt Wuthrich)，以表彰他們發(fā)明了識(shí)別和分析生物大分子結(jié)構(gòu)的方法即在質(zhì)譜和核磁共振方面的貢獻(xiàn)。 生物大分子革命性的分析方法為什么要研究生物大分子? 所有活的有機(jī)體細(xì)菌，植物和動(dòng)物都包含有相同類型的大分子，這些大分子承擔(dān)著我們所稱之為生命現(xiàn)象的活動(dòng)。細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的活動(dòng)由核酸(如DNA)控制，核酸可以稱之為細(xì)胞的指揮者，同時(shí)各種蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)的最主要的參與者。每種蛋白質(zhì)都具有各自生物功能，并可能會(huì)隨著所處環(huán)境的變化而改變。例如血紅蛋白的功能是給身體中所有的細(xì)胞

13、運(yùn)送氧氣。 蛋白質(zhì)研究本身并不新鮮，但是，蛋白質(zhì)組學(xué)，如研究不同的蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)在細(xì)胞中怎樣相互作用，是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，在最近幾年里發(fā)展很快。隨著越來(lái)越多有機(jī)體基因序列作圖的完成及研究前沿的不斷推進(jìn)，新的問(wèn)題出現(xiàn)了：人的3萬(wàn)多個(gè)基因是怎樣編碼成千上萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)的。如果一個(gè)基因受到損害或丟失會(huì)發(fā)生什么情況?老年癡呆癥或瘋牛病這樣的疾病是怎樣產(chǎn)生的?能否用新的化學(xué)物質(zhì)更迅速地診斷及治療那些正在威脅人類的疾病。為了能夠解決這樣一些問(wèn)題，化學(xué)家們一直不斷地探求更多的有關(guān)蛋白質(zhì)的知識(shí)，以及它們之間，它們和細(xì)胞中其他分子是如何共同發(fā)揮功能的。這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)上的微小的變化會(huì)決定他們的功能。質(zhì)

14、譜鑒定分子的方法 質(zhì)譜是根據(jù)質(zhì)量迅速鑒定一個(gè)物質(zhì)。這一技術(shù)很久以來(lái)被化學(xué)家們用來(lái)分析小分子和中等大小的分子，這個(gè)方法非常靈敏，以至于每種含量極微的分子都有可能被檢測(cè)到。毒品和藥物的檢測(cè)，食品控制和環(huán)境分析都是目前常規(guī)使用質(zhì)譜技術(shù)的領(lǐng)域。 質(zhì)譜技術(shù)早在十九世紀(jì)末就出現(xiàn)了，最早用于小分子分析是由 Joseph J. Thompson 在1912年報(bào)道的。二十世紀(jì)有許多諾貝爾獎(jiǎng)直接依賴于質(zhì)譜分析。例如，Harold Urey 發(fā)現(xiàn)氘(獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))，富勒烯，“足球碳”的發(fā)現(xiàn)使Robert Carl, Sir Harold Kroto和 Richard Smalley 獲得1996年諾貝

15、爾化學(xué)獎(jiǎng)。 將質(zhì)譜用于大分子分析這一目標(biāo)同樣長(zhǎng)期吸引著科學(xué)家們。二十世紀(jì)70年代，在氣相中將大分子轉(zhuǎn)化為離子獲得了許多成功，這種技術(shù)稱為“解吸”技術(shù)，形成了在過(guò)去二十年里這一領(lǐng)域革命的基礎(chǔ)。 大分子相對(duì)于其它分子來(lái)說(shuō)或許是大的，但是在這里我們還是認(rèn)為它具有小的不可思議的結(jié)構(gòu)。例如血紅蛋白分子，它的質(zhì)量是10-19克，如何去稱這么小的重量。秘訣就是使單個(gè)的蛋白質(zhì)分子與其它分子分離，擴(kuò)散成一簇自由飛行，帶電的蛋白質(zhì)離子。接下來(lái)測(cè)量這些離子的質(zhì)量并因此而鑒定這個(gè)蛋白質(zhì)的常用方法是讓它們?cè)谝粋€(gè)真空室內(nèi)加速并測(cè)量它們的飛行時(shí)間。它們按順序到達(dá)目的地，這一順序是由它們的電荷和它們的質(zhì)量決定的，最快到達(dá)的是

16、那些最輕的，帶有最高電荷的離子。 目前，有兩種原理可以使蛋白質(zhì)在不破環(huán)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的狀態(tài)下轉(zhuǎn)移到氣相，正是這些方法背后的發(fā)現(xiàn)將要共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)金的一半。其中一個(gè)由John BFenn 發(fā)明的方法中，樣品由很強(qiáng)的電場(chǎng)導(dǎo)致噴霧并產(chǎn)生小的，帶電荷的自由飛行的離子。另一種方法是用一束強(qiáng)激光脈沖使樣品離子化。如果處在合適的條件下(如能量，樣品的結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境)，分子吸收部分激光脈沖能量并成為自由離子被釋放。第一個(gè)表明這種“軟激光解吸”現(xiàn)象可能被用于分析蛋白質(zhì)這樣的大分子的是Koichi Tanaka。 John BFenn的貢獻(xiàn)：(通過(guò)噴霧飛行)在1988年，John BFenn發(fā)表了兩篇有關(guān)大分子

17、的電噴霧現(xiàn)象的論文，對(duì)質(zhì)譜技術(shù)具有突破性意義。在第一篇論文里，對(duì)未知質(zhì)量的聚乙二醇的分析表明這一方法可以使大分子帶高電荷。第二篇文章報(bào)道了用這一方法分析中等大小的完整蛋白質(zhì)。離子的產(chǎn)生是通過(guò)電場(chǎng)使樣品噴霧形成帶電液滴，隨著水分子逐漸從液滴蒸發(fā)，僅留下“光禿禿”自由飛行的蛋白質(zhì)分子。這一方法被稱為電噴霧離子化(ESI)。 當(dāng)分子帶有很強(qiáng)的電荷時(shí)，質(zhì)量電荷比變得很小，這樣該物質(zhì)就可以用普通的質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。另一個(gè)好處是同一個(gè)分子會(huì)產(chǎn)生一系列峰，因?yàn)槊恳粋€(gè)峰都帶有不同數(shù)目的電荷。雖然這一復(fù)雜的譜圖在最初使研究者深感迷惑，但它給出的信息使鑒定更容易了。 Tanaka的貢獻(xiàn)：(通過(guò)爆破飛行) 與此同時(shí)，

18、在日本京都島津儀器公司，一個(gè)年輕的日本工程師報(bào)道了一種完全不同的技術(shù)進(jìn)行了這一研究。即在1987年的一個(gè)討論會(huì)及1988年發(fā)表的論文中，表述了蛋白質(zhì)分子應(yīng)該可以通過(guò)軟激光解吸(SLD)的方法被離子化。一束激光脈沖打在樣品上，與噴霧的方法不同，樣品是處在固相或粘液相中，當(dāng)樣品從激光脈沖中吸收能量，被爆破成很小的單位，分子一個(gè)接一個(gè)被釋放，以帶低電荷的完整的分子離子形式飛行，這些離子被一個(gè)電場(chǎng)加速并用上面提到的記錄它們的飛行時(shí)間的方式檢測(cè)。Tanaka第一個(gè)報(bào)道了激光技術(shù)對(duì)生物大分子分析應(yīng)用的可能性。這一原理是今天多種有力的激光解吸方法的基礎(chǔ)，特別是簡(jiǎn)稱為MALDI(基質(zhì)輔助激光解吸離子化)，SE

19、LDI(表面增強(qiáng)激光解吸離子化)，DLOS(直接芯片離子化)的技術(shù)。應(yīng)用：電噴霧離子化和軟激光解吸都有許多應(yīng)用領(lǐng)域。復(fù)雜的生化分析在幾年前還只是夢(mèng)想，而現(xiàn)在已經(jīng)成為可能。研究蛋白質(zhì)的相互作用對(duì)了解生命中的信號(hào)系統(tǒng)是非常重要的，這種非共價(jià)生物分子復(fù)合物可用 ESI 分析，這一方法在速度，靈敏度和鑒別實(shí)際的相互作用方面都優(yōu)于其他方法，使得這一技術(shù)迅速在世界各地的實(shí)驗(yàn)室傳播。今天，軟激光解吸(以MALDI的形式)和電噴霧已經(jīng)成為多肽，蛋白質(zhì)和糖結(jié)構(gòu)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。這使得迅速分析完整細(xì)胞和活組織中的蛋白質(zhì)成為可能。下面一些當(dāng)前研究領(lǐng)域內(nèi)的例子描繪了今年諾貝爾獎(jiǎng)產(chǎn)生的應(yīng)用的多樣性。包括：藥物開(kāi)發(fā)： 藥物

20、開(kāi)發(fā)的早期階段已經(jīng)發(fā)生了變化。與液相分離相結(jié)合 ESIMS使每天分析幾百個(gè)物質(zhì)成為可能。瘧疾： 科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)了研究瘧疾傳播的新方法。由于軟激光解吸方法的出現(xiàn)使早期診斷成為可能，在這里攜氧的血紅蛋白被用來(lái)吸收激光脈沖能量。食品控制： ESI 技術(shù)同樣使小分子分析向前發(fā)展，我們已經(jīng)知道我們所吃的食品的制備過(guò)程會(huì)產(chǎn)生許多對(duì)健康有害的物質(zhì)，例如丙烯酰胺會(huì)導(dǎo)致癌癥。使用質(zhì)譜技術(shù)，食品在各種不同的生產(chǎn)階段都可以進(jìn)行分析，通過(guò)改變溫度和配方，有害物質(zhì)可以被避免或減少。期診斷的新方法的報(bào)道。核磁共振在生物大分子中的應(yīng)用 質(zhì)譜能夠回答諸如“是什么”和“有多少種”蛋白質(zhì)這樣的問(wèn)題，而核磁共振則回答這種蛋白質(zhì)“是

21、什么樣子”的問(wèn)題。對(duì)任何一種顯微鏡而言，即使是最大的蛋白質(zhì)都顯得太小而不能獲得足夠的分辨率。因此，要想能夠獲得一個(gè)蛋白質(zhì)真正的圖像，必須采用其他手段。核磁共振就是這樣一種方法。通過(guò)對(duì)核磁共振譜圖中的譜峰進(jìn)行解釋，人們可以得到所研究的分子的三維結(jié)構(gòu)。核磁共振所用的樣品是處于溶液狀態(tài)，類似于蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境。 早在1945年，物理學(xué)家 Felix 和 Edward Purcell 就發(fā)現(xiàn)把有些原子核放在強(qiáng)磁場(chǎng)下，由于所謂核自旋的作用，它們能夠吸收特定波長(zhǎng)的電磁波，即發(fā)生共振。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)使他們贏得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后，人們發(fā)現(xiàn)核共振的頻率不僅依賴于磁場(chǎng)的強(qiáng)度和原子類別，還依賴于原子所

22、處的環(huán)境。而且，不同核的核自旋能夠相互影響，從而產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)，即在核磁共振譜圖中產(chǎn)生更多的譜峰。最初，核磁共振的應(yīng)用受到其低靈敏度的限制，因而需要濃度極高的樣品。但是在1966年，瑞士化學(xué)家Richard Ernst(1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)認(rèn)為，如果用非常短而強(qiáng)的射頻脈沖來(lái)照射樣品，以取代緩慢改變照射頻率的方法，將會(huì)極大地提高靈敏度。 在上世紀(jì)70年代，他還在發(fā)展核磁共振方法學(xué)上作出了貢獻(xiàn)，如尋找怎樣確定分子中相鄰核(例如由化學(xué)鍵相連的原子)的方法。通過(guò)對(duì)核磁共振譜圖中的信號(hào)進(jìn)行解釋，人們能夠獲得分子結(jié)構(gòu)的信息。這種方法被成功地應(yīng)用于小分子。但對(duì)大分子而言，要想將不同原子核的共振信號(hào)區(qū)分

23、開(kāi)來(lái)是非常困難的。一張大分子的核磁共振譜圖有數(shù)干個(gè)譜峰，看起來(lái)就象一片片的草坪，根本不能確定哪個(gè)峰屬于哪個(gè)原子。最終解決這個(gè)問(wèn)題的科學(xué)家是瑞士的化學(xué)家Kurt Wuthrich。 Kurt Wuthrich 使核磁共振應(yīng)用于蛋白質(zhì)成為可能在上個(gè)世紀(jì)80年代初， Kurt Wuthrich發(fā)展了一套怎樣將核磁共振方法延伸到生物大分子領(lǐng)域的思路。他發(fā)明了一套系統(tǒng)方法，將每一個(gè)核磁共振信號(hào)與大分子中的氫核(質(zhì)子)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。這種方法叫做“序列指認(rèn)”，目前已經(jīng)成為所有核磁共振結(jié)構(gòu)研究的基石。他還指出了怎樣能夠在大量質(zhì)子中確定每一對(duì)質(zhì)子間的距離。利用這些信息，通過(guò)基于距離幾何的一種數(shù)學(xué)方法，就能夠計(jì)算

24、分子的三維結(jié)構(gòu)。1985年，利用Kurt Wuthrich 的方法確定了第一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。到目前為止，在上萬(wàn)個(gè)已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有大約1520的結(jié)構(gòu)是由核磁共振方法確定的。其他的結(jié)構(gòu)則主要是由X射線晶體學(xué)方法確定的，只有有很少幾個(gè)是由其它方法如電子衍射或中子衍射確定的。 在許多方面，核磁共振都能對(duì)X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)定進(jìn)行補(bǔ)充。如果對(duì)同一種蛋白質(zhì)用兩種方法進(jìn)行研究，一種在溶液狀態(tài)，一種在結(jié)晶狀態(tài)，通?？梢缘玫较嗤慕Y(jié)果，只是在一些受環(huán)境影響的表面區(qū)域二者有不同。這些區(qū)域在晶體中受到緊密堆積的臨近蛋白質(zhì)分子的影響，而在溶液中則受到周圍溶劑分子的影響。X射線晶體學(xué)的能力體現(xiàn)在能夠精確測(cè)定相當(dāng)大的

25、分子的三維結(jié)構(gòu)，而核磁共振則有另外一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在溶液中進(jìn)行研究就意味著可以模擬生理?xiàng)l件。核磁共振的一項(xiàng)特殊能力就是可以研究分子中無(wú)結(jié)構(gòu)的和非常活動(dòng)的部分，因而可以闡明分子的運(yùn)動(dòng)性，動(dòng)力學(xué)以及這些特性在蛋白質(zhì)鏈中各部分的差異。 對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定同位素標(biāo)記也有助于確定分子結(jié)構(gòu)。用核磁共振確定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子就是：與一系列危險(xiǎn)疾病(如瘋牛病)的發(fā)展相關(guān)的阮病毒蛋白( Stanley Prusiner 因此獲得1997年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))。和他的同事們利用核磁共振對(duì)該蛋白的研究結(jié)果表明，正常形態(tài)的阮病毒蛋白由兩部分構(gòu)成。在水溶液中，其中大約一半的蛋白鏈形成一個(gè)有序的、相當(dāng)剛性的三維結(jié)構(gòu)，而另一半

26、則沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)而且非?；顒?dòng)。核磁共振還能用來(lái)研究其它生物大分子如 DNA和 RNA 的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。 在制藥工業(yè)中，核磁共振還被用來(lái)確定潛在靶蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。新設(shè)計(jì)的藥物分子要能夠與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)相配合，就象鑰匙和鎖那樣。也許核磁共振在工業(yè)中最重要的用途是用來(lái)尋找能夠與指定生物大分子相互作用的潛在小分子藥物。如果小分子能夠與大分子作用，那么大分子的核磁共振譜圖通常就會(huì)發(fā)生變化。用這種方法可以在新藥研發(fā)的早期對(duì)大量的候選藥物分子進(jìn)行“篩選”。 波譜分析與諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 我們把100多年來(lái)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目進(jìn)行了分類整理和統(tǒng)計(jì)分析，直接或間接地與波譜分析相關(guān)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目如下： 從中可以看到波

27、譜分析在化學(xué)、生物研究領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展中的作用。 1902 HERMANN EMIL FISCHER (1852-1919,德國(guó)柏林大學(xué))他在糖和嘌呤衍生物合成上的特殊貢獻(xiàn)得到認(rèn)可。 1907 EDUARD BUCHNER (1860-1917,德國(guó)柏林農(nóng)業(yè)大學(xué))因?yàn)樗纳锘瘜W(xué)研究和發(fā)現(xiàn)無(wú)細(xì)胞發(fā)酵現(xiàn)象。 1915 RICHARD MARTIN WILLSTATTER (1872-1942,德國(guó)慕尼黑大學(xué))因?yàn)樗谥参锷兀貏e是葉綠素方面的研究 1918 FRITZ HABER (1868-1934,德國(guó) Kaiser- Wilhelm 研究所)因?yàn)樗l(fā)明了工業(yè)合成氨的方法 1923 FRITZ

28、 PREGL (1869-1930,奧地利Graz大學(xué)) 因?yàn)樗l(fā)明了有機(jī)化合物的微量分析方法。1926 THE (THEODOR) SVEDBERG (1884-1971,瑞典Uppsala大學(xué)) 因?yàn)樗诜蛛x體系方面的研究 1927 HELNRICH OTTO WIELAND (1877-1957,德國(guó)慕尼黑大學(xué)) 因?yàn)樗谀懼崤c相關(guān)物質(zhì)構(gòu)成方面的研究 1928 ADOLF OTTO REINHOLD WINDAUS (1876-1959,德國(guó)Goettingen 大學(xué)) 表彰他在研究固醇類成分及其與維生素關(guān)系上作出的貢獻(xiàn)。 1929 Sir ARTHUR HARDEN (1865-19

29、40,英國(guó)倫敦大學(xué))、HANS KARL AUGUST SIMON VON EULER-CHELPIN (1873-1964, 瑞典斯德哥爾摩大學(xué))因?yàn)樗麄冊(cè)谔前l(fā)酵和發(fā)酵酶類方面的研究。 1930 S FISCHER (1881-1945,德國(guó)慕尼黑技術(shù)研究所) 因?yàn)樗谘t素成分和葉綠素成分方面的研究，特別是在血紅素合成上的貢獻(xiàn)。 1937 Sir WALTER NORMAN HAWORTH (1883-1950,英國(guó)伯明翰大學(xué))因?yàn)樗谔妓衔锖途S生素C方面的研究；PAUL KARRER (1889-1971,瑞士蘇黎世大學(xué))因?yàn)樗陬惡}卜素、核黃素、維生素A和B2方面的研究。1938

30、 RICHARD KUHN (1900-1967,德國(guó)海德堡大學(xué)和德國(guó)Kaiser-Wilhelm研究所) 表彰他在類胡蘿卜素和維生素方面的研究。 1939 ADOLF FRIEDRICH JOHANN BUTE-NANDT(1903-1995，德國(guó)柏林大學(xué)和德國(guó)Kaiser-Wilhelm研究所)表彰他在性激素方面的工作；LEOPOLD RUZICKA(1887-1976,瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所)表彰他在聚亞甲基和高級(jí)萜烯方面的工作。 1943 GEORGE DE HEVESY(1885-1966,瑞典斯德哥爾摩大學(xué))表彰他在利用同位素作為化學(xué)研究中的示蹤原子方面的工作 1945 ARTTURI

31、 ILMARI VIRTANEN(1895-1973,芬蘭赫爾辛基大學(xué)) 表彰他在農(nóng)業(yè)和營(yíng)養(yǎng)化學(xué)，特別是飼料保藏方法方面的研究和發(fā)明。 1946 JAMES BATCHELLER SUMNER(1887-1955,美國(guó)Cornell大學(xué))因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了酶能夠結(jié)晶；JOHN HOWARD NORTHROP(1891-1987,美國(guó)洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所)、WENDELL MEREDITH STANLEY(1904-1971,美國(guó)洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所)因?yàn)樗麄冎苽淞思儍魻顟B(tài)的酶和病毒蛋白質(zhì)。 1947 Sir ROBERT ROBINSON(1886-1975,英國(guó)牛津大學(xué))表彰他在有關(guān)植物產(chǎn)品的生物價(jià)值

32、，特別是在生物堿價(jià)值方面的研究。 1948 ARNE WILHELM KAURIN TISELIUS(1902-1971,瑞典Uppsala大學(xué))表彰他在電泳和吸附分析方面的研究，特別是在血清蛋白的復(fù)雜性上的發(fā)現(xiàn)。 1952 ARCHER JOHN PORTER MARTIN(1910-,英國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)研究所)、RICHARD LAU-RENCE MILLINGTON SYNGE(1914-1994,英國(guó)Rowett研究所)因?yàn)樗麄儼l(fā)明了分配色譜法。 1953 HERMANN STAUDINGER(1881-1965,德國(guó)Freiburg大學(xué)和國(guó)立大分子化學(xué)研究所)因?yàn)樗_(kāi)創(chuàng)了大分子化學(xué)研究領(lǐng)域

33、。 1954 LINUS CARL PAULING(1901-1994,美國(guó)加州理工學(xué)院) 表彰他在有關(guān)化學(xué)鍵本質(zhì)及其應(yīng)用于解釋復(fù)合物結(jié)構(gòu)方面的研究。 1955 VINCENT DU VIGNEAUD(1901-1978,美國(guó)Cornell大學(xué)) 表彰他對(duì)在生化方面具有重要性的硫化物的研究，特別是首次合成了多肽激素。1957 Lord ALEXANDER R TODD(1907-1997,英國(guó)劍橋大學(xué))表彰他在研究核苷酸和核苷酸輔酶上的成績(jī)。1958 FREDERICK SANGER(1918-,英國(guó)劍橋大學(xué))表彰他在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是胰島素結(jié)構(gòu)方面的工作。 1961 MELVIN CADVI

34、N(1911-,美國(guó)加州大學(xué))表彰他在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成績(jī)。1962 MAX FERDINAND PERUTZ(1914-,英國(guó)劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)、Sir JOHN COWDERY KENDREW(1917-1997, 英國(guó)劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)表彰他們?cè)谘芯壳虻鞍捉Y(jié)構(gòu)上取得的成績(jī)。 1964 DOROTHY CROWFOOT HODGKIN(1910-1994,英國(guó)皇家協(xié)會(huì)，牛津大學(xué))因?yàn)樗肵射線技術(shù)來(lái)確定重要生化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 1970 LUIS F LELOIR(1906-1987,阿根廷布宜諾斯艾利斯生物化學(xué)研究所)因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了糖核苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作

35、用。 1972 CHRISTIAN B ANFINSEN(1916-1995,美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院)因?yàn)樗诤颂呛怂崦?，特別是氨基酸序列和生物活性結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系上的研究；STAN-FORD MOORE(1913-1982,美國(guó)洛克菲勒大學(xué))、WILLIAM H STEIN(1911-1980, 美國(guó)洛克菲勒大學(xué))表彰他們對(duì)核糖核酸酶分子活性中心的化學(xué)結(jié)構(gòu)與催化活動(dòng)之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。 1975 Sir JOHN WARCUP CORNFORTH(1917-,英國(guó)Sussex大學(xué))表彰他在酶催化反應(yīng)的立體化學(xué)方面的研究；VLADIMIR PRELOG(1906-,瑞士工業(yè)大學(xué))表彰他在有機(jī)分子立體化學(xué)

36、和反應(yīng)方面的研究。 1978 PETER D. MITCHELL(1920-1992,英國(guó)格林研究所)表彰他通過(guò)化學(xué)滲透理論公式來(lái)認(rèn)識(shí)生物能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。 1980 PAUL BERG(1926-,美國(guó)斯旦福大學(xué))因?yàn)樗麑?duì)核酸生化特性的基礎(chǔ)研究，特別是對(duì)重組DNA的研究；WALTER GILBERT(1932-,美國(guó)坎布里奇生物實(shí)驗(yàn)室)、FREDERICK SANGER(1918-,英國(guó)劍橋醫(yī)學(xué)研究協(xié)會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)因?yàn)樗麄冊(cè)诤怂釅A基序列確定方面的貢獻(xiàn)。 1982 Sir AARON KLUG(1926-,英國(guó)劍橋醫(yī)學(xué)研究協(xié)會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)因?yàn)樗_(kāi)發(fā)了電子顯微鏡晶體圖，并且在結(jié)構(gòu)上闡述核

37、酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體在生物學(xué)中的重要性。 1984 ROBERT BRUCE MERRIFIELD(1921-,美國(guó)洛克菲勒大學(xué))因?yàn)樗_(kāi)發(fā)了化學(xué)固相合成方法。 1988 JOHANN DEISENHOFER(1943-,聯(lián)邦德國(guó)Howard Hughes 醫(yī)學(xué)研究所和美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)研究室)、ROBERT HUBER(1937-,聯(lián)邦德國(guó)馬普生物化學(xué)學(xué)院) 、HARTMUT MICHEL(1948,聯(lián)邦德國(guó)馬普生物物理學(xué)學(xué)院)表彰他們對(duì)光合反應(yīng)中心的三維結(jié)構(gòu)的確定。 1989 SIDNEY ALTMAN(1939-,美國(guó)耶魯大學(xué))、THOMAS R CECH(1947-,美國(guó)

38、科羅拉多大學(xué))表彰他們發(fā)現(xiàn)了RNA的催化特性。 1991 RICHARD R ERNST(1933-,瑞士工業(yè)大學(xué))表彰他在高分辨核磁共振波譜學(xué)分析方法的發(fā)展上作出的貢獻(xiàn)。 1993 KARY B MULLIS(1944-,美國(guó)加州拉霍亞)表彰他發(fā)明了PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))方法；MICHAEL SMITH(1932-,加拿大溫哥華大不列顛哥倫比亞大學(xué))表彰他對(duì)建立寡核苷酸堿基位點(diǎn)直接突變并且用以研究蛋白質(zhì)方面所作的重要貢獻(xiàn) .1997 PAUL D BOYER (1918-,美國(guó)加州大學(xué)) 、JOHN E WALKER(英國(guó)劍橋醫(yī)學(xué)研究協(xié)會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)因?yàn)樗麄冴U明了催化ATP合成的酶學(xué)機(jī)制；JENS C SKOU (1918-,丹麥Aarhus大學(xué))因?yàn)樗谝粋€(gè)發(fā)現(xiàn)離子轉(zhuǎn)運(yùn)酶,Na+,K+ -ATPase。 2001 WILLIAM S KNOWLES (1917-,美國(guó)密蘇里州孟山都公司) 、RYOJI NOYORI (1938-,日本名古屋大學(xué))因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)手性催化的還原反應(yīng)；K BARRY SHARPLESS(1941-,美國(guó)Scripps研究所)因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)手性催化的氧化反應(yīng) 2002JohnBFenn（美國(guó)）， KoIchi Tanaka（日本）， Kort Wuthrich（瑞士）質(zhì)譜與核磁共振技術(shù)加快了生命科學(xué)研究的步伐。錢永健1952年生于紐約，現(xiàn)為美國(guó)