核磁共振技術及應用-綜述

核磁共振技術及應用學號：2011201373姓名：楊海源摘要:綜述核磁共振技術的基本原理與優(yōu)勢以及該技術作為一種檢測分析手段在生物醫(yī)藥、食品、化工業(yè)中的應用進展。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)是以原子核自旋的共振躍遷為探測對象的譜學方法。其最基本原理是，原子核在磁場中受到磁化，自旋角動量發(fā)生進動，當外加能量（射頻場）與原子核震動頻率相同時，原子核吸收能量發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生共振吸收信號。此方法專屬性強、準確快捷,可與其它方法相互補充,用于諸多環(huán)節(jié)且有很好的應用前景。但在實際的應用中也還存在一些問題,有待于進一步深入研究。關鍵詞:核磁共振技術，NMR，生物，食品，石油，分析，檢測AbstractThetechnologyofnuclearmagneticresonance(NMR)applyingin\o"查找:biologicalmedicine"biologicalmedicine,food,chemicalindustrydetectionathomeandabroadwassummarized.Themostbasicprinciplesofnucleibymagnetizedinamagneticfield,thespinangularmomentumprecession,plusenergynucleivibrationfrequencyatthesametime,thenucleiabsorbenergyleveltransitionoccurs,resonanceabsorptionsignal.Accordingtocurrentsituation,ithassomeadvantagesinfooddetectionsuchasfastness,accuracy,intactness.However,therearestillsomeshortcomings,andweshouldfurtherresearchtosolvetheminfuture.1.前言核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)波譜學是一門發(fā)展非常迅速的科學，是一種物質與低頻電磁波（通常為1000MHz的無線電波）相互作用的基本物理現(xiàn)象。在20世紀中期由荷蘭物理學Goveter最先發(fā)現(xiàn)，于1946年由哈佛大學的伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學的布洛赫(F.Bloch)等人用實驗所證實。兩人因這一發(fā)現(xiàn)而分享了1952年諾貝爾物理學獎。初期開始在食品科學領域發(fā)揮其優(yōu)勢，隨著該技術的不斷更新，該技術在物理、化工、生物、醫(yī)藥、食品、航天等領域得到廣泛應用。通過大批科學家的深入研究，核磁共振技術不斷獲得改進和創(chuàng)新，目前已經(jīng)發(fā)展出一系列具有特殊用途的核磁共振信技術，比如核磁雙共振、二維核磁共振、核磁共振成像技術、魔角旋轉技術、極化轉移技術等。這些技術的完善和成熟使得核磁共振技術在生產(chǎn)、生活、科研當中獲得了廣泛的應用。本文主要介紹了核磁共振技在生物醫(yī)藥、食品、化工業(yè)的應用進展。2.核磁共振基本原理及特點其最基本原理是，原子核在磁場中受到磁化，自旋角動量發(fā)生進動，當外加能量（射頻場）與原子核震動頻率相同時，原子核吸收能量發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生共振吸收信。原子核帶有正電,許多元素的原子核進行自旋運動。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規(guī)律的,但將其置于外加磁場中時,核自旋空間取向從無序向有序過渡，自旋系統(tǒng)的磁化矢量由零逐漸增長,當系統(tǒng)達到平衡時,磁化強度達到穩(wěn)定值。如果此時核自旋系統(tǒng)受到外界作用,如一定頻率的射頻激發(fā)原子核即可引起共振效應。在射頻脈沖停止后,自旋系統(tǒng)已激化的原子合物形成過程中低分布的激發(fā)態(tài)蛋白的存在提供有力的結構證據(jù)。用NMR技術可研究藥物與蛋白質的相互作用，其中最著名的是1996年Abbott實驗室Shuker等人提出SAR-by-NMR的概念,即通過比較加入藥物前后的同位素標記蛋白質NMR譜圖，來確定化合物是否與蛋白質有相互作用,特別適合篩選結合較弱的藥物。生物領域常用NMR方法包括轉移NOE(nuclearover-hausereffect,NOE)法、飽和轉移差譜STD法、Water-LOGSY法等。其中轉移NOE法靈敏度較低，適于測定離解常數(shù)在100nM與1mM之間的體系。STD是研究藥物與蛋白相互作用的非常普遍并行之有效的方法之一。近年來,它被用于檢測藥物8500kDa人源鼻病毒蛋rhinovirus(HRV2)的相互作用以及藥物與RNA的相互作用。它和魔角旋轉(MAS)技術相結合,還可測定多糖與固體麥胚凝集素的結合等等。近年來生物NMR發(fā)展迅速,新方法和新技術層出不窮,研究領域不斷擴展。核磁共振技術在醫(yī)學臨床的應用已經(jīng)成為新的研究熱點。主要有腦內(nèi)疾病檢測，非損傷性核磁共振胰膽管顯像技術(MRCP)判斷胰膽管疾病的方法。相對于X射線透視技術和放射造影技術,MNR對人體沒有輻射影響，相對于超聲探測技術，核磁共振成像更加清晰,能夠顯示更多細節(jié)，此外相對于其他成像技術，核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變，而且還能夠對心、肝等功能性反應進行精確的判定。在阿爾茨海默氏癥、癌癥等疾病的診斷方面，核磁共振技術發(fā)揮了非常重要的作用。4.核磁共振技術在食品分析檢測中的應用面對食品業(yè)、食品加工、分析檢測技術等的快速發(fā)展與需求，核磁共振技術也應用于食品分析檢測。如水分在食品中的含量、分布和存在狀態(tài)的差異會直接影響到食品的品質、加工特性和穩(wěn)定性等。NMR技術可以檢測用不同溫度冷凍食品過程水分遷移及水分含量的變化。在進行脂肪分析時，NMR法可取代油脂質量控制實驗室中采用固體脂肪指數(shù)（SFI）分析方法唯一可行的、有潛在用途的儀器分析方法，并且已經(jīng)形成了國際標準。目前國內(nèi)在這方面的研究主要還集中在油料種子含油量的測定方面，而在國外的應用得則較為廣泛。NMR技術在玻璃態(tài)轉變研究中，聚合物由玻璃態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)時，含有質子基團的運動頻率增加，質子活動性也隨之改變，這些變化可由NMR所測的弛豫時間T1和T2來衡量。NMR技術在糖類分析研究中主要集中在結構解析方面，包括糖殘基數(shù)目、組成單糖種類、端基構型、糖基連接方式和序列以及取代基團的連接位置等都能測出來。NMR技術在食品品質鑒定中已經(jīng)成為有機和無機化合物的分子結構鑒定和研究的一種重要工具。同時，在定量分析中也起到了重要的作用，因此，依據(jù)不同食品的某些特定參考標準，NMR技術在食品成分、品質的分析鑒定方面也得到了有效應用，包括鑒別果蔬和谷物在生長過程中及采摘后的內(nèi)部品質、成熟度、內(nèi)部缺陷等，以及肉類、酒類、油脂類食品的原產(chǎn)地和品質優(yōu)劣。還包括在食品污染物的分析和農(nóng)藥殘留、肉中同化劑的作用、氨基酸的測定、食品中的平pH及氧化還原反應以及乳制品中微生物的測定等方面的研究都開始迅速發(fā)展。5.核磁共振在石油化工、陶瓷制作、航天方面的應用核磁共振技術除了在生物醫(yī)藥、食品領域中獲得了廣泛的應用外，在化工領域中的應用也同樣廣泛。為了提高石油資源開發(fā)與石油加工利用及評價。我國石油工程項目離不開核磁共振技術，該技術在我國石油的分析探測項目中的應用越來越普遍。在石油勘測過程中，通過分析石油地段巖石的核磁參數(shù)和石油儲層物性參數(shù)兩者之間的關系，進而求出儲層石油藏量參數(shù)、滲透率和孔隙度等。核磁共振和質譜等現(xiàn)代先進儀器的出現(xiàn)和應用，大大提高了我國石油在加工利用上的效率和科技度。應用該技術能夠分離鑒定出一些以極低濃度存在的新型生物種類。如利用核磁共振技術確定從原油中分離出來的一種新的三萜烷，它的結構為兩順一反的二杜松烷。依據(jù)類屬相同的原油具有相似的加工特性這一原理，測出原油中各種成分的含量，可將原油分成相應的各大類為了提高高分子材料的性能及產(chǎn)量。在生產(chǎn)過程中需要準確把握聚合物種溶劑的擴散特征、聚合物均勻性、固態(tài)產(chǎn)物生長的空間取向等諸多于因素，這些高分子材料的生產(chǎn)要求都給核磁共振技術提供了廣闊的應用場所。金屬陶瓷的生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)一些嚴重影響材料性能的砂眼，這也需要采用核磁共振技術來檢測。航天工業(yè)對火箭燃料的裝填要求非?？量?，通過核磁共振技術可以準確探測固體燃料中的缺陷以及填充物、推進劑、增塑劑的分布情況。另外，核磁共振技術還可在水環(huán)境監(jiān)測、工程無損檢測等方面發(fā)揮著積極作用。6.總結本文著重介紹了核磁共振技術基本原理及在生物醫(yī)藥、食品、化工領域的相關應用，其實它在生命科學、材料檢測、紡織檢測、水資源探查等很多領域都有廣泛應用。在生物化學領域,該技術正受到蛋白質化學、生物工程技術乃至生命科學的廣泛重視。隨著研究對象復雜性的增加必將進一步推動核磁共振波譜學的發(fā)展。但是，NMR技術也存在儀器造價昂貴和訊號分析具有專門性與復雜性等缺點，且在實際應用中也還存在一些問題，有待于進一步深入研究，這些都限制了此種儀器在各領域中的普及和新儀器的開發(fā)。然而，從目前的研究現(xiàn)狀來看,今后的研究主要集中在這幾個方面，更深入地研究NMR機理；在檢測某些物質的結構和性質時,可以結合固相微萃取、分子蒸餾等技術來克服該技術對樣品質和量的要求；降低核磁共振儀的造價和運轉費，以推動該技術的廣泛應用。參考文獻[1]張云.核磁共振技術的歷史及應用[J].科技信息,2010-05-25[2]高明珠.核磁共振技術及其應用進展[J].信息記錄材料,2011-06-15[3]姜凌,劉買利.核磁共振技術在生物研究中的應用[J].物理,2011-06-12[4]KorzhnevDM,ReligaTL,BanachewiczWetal.Science,2010,329-1312[6]趙桂生.核磁共振技術在醫(yī)學臨床的應用[J].醫(yī)院放射科,2011-04-05[7]于小波,沈文斌,相秉仁.中國藥科大學分析測試中心[J].藥學進展,2010-01-25[8]周凝,劉寶林.王欣核磁共振技術在食品分析檢測中的應用[J].食品工業(yè)科技,2010-08-24[9]LovedaySM,HindmarshJP,C