核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)周瑞1〔1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林省長(zhǎng)春130000〕摘要：核磁共振是指原子核在外加恒力磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生能級(jí)分裂，從而對(duì)特定的電磁波發(fā)生共振吸收的現(xiàn)象通過。因而測(cè)定和分析受測(cè)物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子，以及原子之間的距離多大，并據(jù)此分析出它的三維結(jié)構(gòu)。核磁共振技術(shù)〔nuclearmagneticresonance,NMR〕開展至今已經(jīng)六十多年了，在材料科學(xué)，化學(xué)，醫(yī)療，石油化工等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，許多科學(xué)家因研究NMR而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。關(guān)鍵詞：核磁共振技術(shù)；NMR波譜；原理；應(yīng)用中圖分類號(hào)：O571.25+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AnuclearmagneticresonanceZhourui1Jilinuniversitycollegeofinstrumentation&electricalengineeringJilinprovinceChangchun130000〕Abstract:.Nuclearmagneticresonanceisreferstothenucleiintheexternalenergylevelsplittingconstantforceproducedundertheactionofmagneticfield,thustheelectromagneticwavetohappeninaparticularresonanceabsorptionphenomenon.Thusthedeterminationandanalysisofthetestsubstancebyabsorptionofelectromagneticwavewillbeabletodeterminewhatkindofatomsitcontains,andthedistancebetweenatomsmuch,andanalysingitsthree-dimensionalstructure.Thetechnologyofnuclearmagneticresonance(nuclearmagneticresonanceNMR,)andnowhasmorethan60years,inmaterialsscience,medical,chemical,petrochemicalandotherfieldshasbeenwidelyused,manyscientiststoobtainNobelprizeforresearchonNMR.Keywords:nuclearmagneticresonance；NMRspectrum；principle；application0、引言：從19世紀(jì)40年代中期，美國(guó)哈佛大學(xué)珀塞爾和斯坦福大學(xué)布洛赫等人發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象以來，核磁共振技術(shù)飛速開展。目前，核磁共振已廣泛地應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物特別是醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。它是研究核結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確測(cè)量磁場(chǎng)的重要方法之一?；瘜W(xué)家利用核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)即核磁共振的波譜分析。醫(yī)學(xué)上制成核磁共振成像儀，為臨床診斷和生理學(xué)、醫(yī)學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)。核磁共振還用在地質(zhì)勘探上，核磁共振探測(cè)是MRI技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的延伸，通過對(duì)地層中水分布信息的探測(cè)，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結(jié)構(gòu)信息。1、核磁共振的物理原理核磁共振是原子核在外磁場(chǎng)中，能級(jí)之間共振躍遷的現(xiàn)象。原子核帶正電并有自旋運(yùn)動(dòng)，其自旋運(yùn)動(dòng)必將產(chǎn)生磁矩，稱為核磁矩。核磁矩μ與原子核的自旋角動(dòng)量S成正比，即=S，式中為比例系數(shù)，稱為原子核的旋磁比。在外磁場(chǎng)中,原子核自旋角動(dòng)量的空間取向是量子化的，它在外磁場(chǎng)方向上的投影值為：。，m為核自旋量子數(shù)。依據(jù)核磁矩與自旋角動(dòng)量的關(guān)系，核磁矩在外磁場(chǎng)中的取向也是量子化的，它在磁場(chǎng)方向上的投影值為：，對(duì)于不同的核，m分別取整數(shù)或半整數(shù)。在外磁場(chǎng)中,具有磁矩的原子核具有相應(yīng)的能量,其數(shù)值可表示為：。式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度?？梢?，原子核在外磁場(chǎng)中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁場(chǎng)的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能級(jí)，相鄰的兩個(gè)能級(jí)之差為：

ΔE=γhB。用頻率適當(dāng)?shù)碾姶泡椛湔丈湓雍?，如果電磁輻射光子能量h恰好為兩相鄰核能級(jí)之差ΔE，那么原子核就會(huì)吸收這個(gè)光子，發(fā)生核磁共振的頻率條件是:h=

γhB=γhB/2或，式中為頻率，為圓頻率。對(duì)于確定的核,旋磁比可被精確地測(cè)定?？梢?通過測(cè)定核磁共振時(shí)輻射場(chǎng)的頻率，就能確定磁感應(yīng)強(qiáng)度；反之，假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度,即可確定核的共振頻率。2、核磁共振的開展歷史1930年代，物理學(xué)家伊西多·拉比發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列，由圖1所示，而施加無(wú)線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖1磁場(chǎng)中的原子核沿磁場(chǎng)方向排列1946年兩位美國(guó)科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子〔包括質(zhì)子和中子〕的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)生原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，為此他們兩人獲得了1950年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，由圖2所示。1966年，Ernst創(chuàng)造脈沖傅立葉變換核磁共振技術(shù),促進(jìn)了13C、15N、29Si核磁及固體核磁的開展。圖2布洛赫和珀塞爾3、核磁共振技術(shù)的應(yīng)用3.1核磁共振技術(shù)的分支核磁共振技術(shù)主要有兩個(gè)學(xué)科分支：核磁共振波譜和磁共振成像。核磁共振波譜技術(shù)是基于化學(xué)位移理論開展起來的，主要用于測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)。磁共振成像技術(shù)誕生于1973年，它是一種無(wú)損測(cè)量技術(shù)，可以用于獲取多種物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖象。由于核磁共振可獲取的信息豐富，因此應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如分析化學(xué)、生命科學(xué)、材料檢測(cè)、石油勘探和水資源探查等等。3.2醫(yī)學(xué)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面，醫(yī)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論根底上1969年，紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士達(dá)馬迪安通過測(cè)核磁共振的弛豫時(shí)間成功的將小鼠的癌細(xì)胞與正常組織細(xì)胞區(qū)分開來，在達(dá)馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學(xué)石溪分校的物理學(xué)家保羅·勞特伯爾于1973年開發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)(MRI)，并且應(yīng)用他的設(shè)備成功地繪制出了一個(gè)活體蛤蜊地內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。勞特伯爾之后，MRI技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍日益廣泛，成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷，如圖3所示。圖3人腦的核磁共振成像3.3生物學(xué)應(yīng)用在生物學(xué)方面，生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核，當(dāng)與外磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)相互作用，并且滿足共振條件時(shí)，將吸收射頻場(chǎng)能量而發(fā)生自旋能級(jí)間的躍遷，這就是核磁共振(NMR)的根本原理。由于NMR技術(shù)可以對(duì)含水樣品進(jìn)行非破壞性測(cè)量，從而使觀測(cè)能在接近生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)，并可通過生物膜上H、C和P進(jìn)行綜合研究，尤其是可以從原子或基團(tuán)水平上提供分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的信息，是研究生物膜結(jié)構(gòu)的有力工具，如圖4所示。圖4生物膜結(jié)構(gòu)生物膜主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜，而磷脂脂質(zhì)體卻能表現(xiàn)出生物膜結(jié)構(gòu)的許多性質(zhì)，是生物膜的理想模型。磷脂脂質(zhì)體主要以凝膠相和液晶相存在，在凝膠相，分子的局部運(yùn)動(dòng)很慢，分子間和分子內(nèi)的偶極相互作用沒有被有效地平均，所以NMR譜線很寬，得到的信息非常少;而在液晶相，分子局部運(yùn)動(dòng)受到的限制減少，運(yùn)動(dòng)加快，從而使NMR譜線窄化，得到高分辨的NMR譜。NMR技術(shù)在生物膜結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用非常廣泛。用H、C和PNMR譜可以鑒定磷脂的種類。通過弛豫時(shí)間測(cè)定的方法可以研究磷脂雙分子層不同部位的流動(dòng)性。將磷脂分子不同位置的氫選擇氘代，用H四極分裂和P化學(xué)位移各向異性的方法可以研究磷脂脂酰鏈的流動(dòng)性、極性基團(tuán)的構(gòu)象以及磷脂與其它分子的相互作用(蛋白質(zhì)、藥物和金屬離子等)，利用P化學(xué)位移各向?qū)苑椒梢匝芯苛字亩嘈涡浴＝陙?，隨著NMR技術(shù)的開展，二維(2D)和固體高分辨NMR技術(shù)也被應(yīng)用于生物膜研究領(lǐng)域，并且已成為非常重要的手段。利用通過化學(xué)鍵建立的相關(guān)譜(如COSY等)可以進(jìn)行多組分磷脂或磷脂與其它分子混合體系每個(gè)基團(tuán)的譜線歸屬。而通過空間建立的相關(guān)譜(如NOESY等)可以直接提供基團(tuán)之間距離的信息，是研究膜脂結(jié)構(gòu)以及與其它分子相互作用的有力工具。固體高分辨技術(shù)不僅可以研究液晶態(tài)的磷脂，而且可以應(yīng)用于凝膠態(tài)磷脂的研究中。對(duì)于某一種磁性核，其磁矩在磁場(chǎng)中可以有不同的取向。對(duì)于質(zhì)子而言，可以有兩種取向，即與靜磁場(chǎng)平行和反平行，前者屬于低能態(tài)，后者屬于高能態(tài)。如果在垂直于靜磁場(chǎng)的方向上加一個(gè)射頻場(chǎng)，當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率與核的Larmor頻率(核磁矩繞磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)頻率)相等時(shí)，處于低能態(tài)的核子便吸收射頻能，躍遷到高能態(tài)。射頻場(chǎng)去掉后，高能態(tài)的核子通過弛豫過程又回到低能態(tài)，從而就能觀察到NMR的信號(hào)。弛豫過程有兩種，一種是自旋—晶格弛豫，此過程用T1表示;另一種是自旋—自旋弛豫，用T2表示。T1是描述自旋體系吸收能量后將其能量轉(zhuǎn)移給它周圍環(huán)境而恢復(fù)到平穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，T2過程中自旋體系內(nèi)部有能量的偶合，自旋體系總能量沒有變化。弛豫時(shí)間與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)，通過弛豫時(shí)間的測(cè)定，可以研究生物膜各部位的流動(dòng)性。生物膜C和P化學(xué)位移各向異性與運(yùn)動(dòng)有很大關(guān)系。所謂化學(xué)位移各向異性，是指核所處的靜磁場(chǎng)方向改變，核的共振頻率(即化學(xué)位移)就發(fā)生變化，由于I=的核周圍電子密度分布是球?qū)ΨQ，所以如果靜磁場(chǎng)方向改變，核的有效感應(yīng)磁場(chǎng)也就隨之變化，處于不同形態(tài)，其運(yùn)動(dòng)方式不同，因而化學(xué)位移被平均的取向也不同。通過P化學(xué)位移各向異性可以研究磷脂的多形性;此外，還可以用I=1的H各向異性(四極分裂)譜研究磷脂分子空間取向的平均分布信息。2DNMR有別于常規(guī)一維(1D)NMR的主要點(diǎn)在于1DNMR只涉及一個(gè)頻率變量，是吸收峰強(qiáng)度對(duì)一個(gè)頻率變量作圖;而2DNMR譜那么代表兩個(gè)獨(dú)立頻率，是吸收峰強(qiáng)度對(duì)兩個(gè)頻率變量作圖。一般將2DNMR實(shí)驗(yàn)分4個(gè)區(qū)域，即預(yù)備期、開展期(t1)、混合期(可以沒有)和檢測(cè)期(t2)。預(yù)備期是為了使磁化矢量到達(dá)適當(dāng)?shù)某跏紤B(tài)而設(shè)置的，接著在開展期磁化矢量進(jìn)行演化，在混合期內(nèi)自旋系統(tǒng)發(fā)生相干轉(zhuǎn)移，最后在檢測(cè)期信號(hào)被檢測(cè)。逐次改變t1反復(fù)循環(huán)累加，最后將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次傅里葉變換：即可得到2DNMR譜。2DNMR譜可分為通過化學(xué)鍵和空間建立起來的兩類相關(guān)譜，兩類2DNMR譜對(duì)譜線歸屬都非常重要，后者對(duì)于生物膜分子空間構(gòu)象研究也非常有力。3、核磁共振技術(shù)的展望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(gè)方面：〔1〕繼續(xù)幫助有機(jī)化學(xué)家從自然界尋找具有生物活性的新穎有機(jī)化合物，今后這方面的研究重點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(xué)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(biāo)記光學(xué)CIDNP法與2D-NMR，3D-NMR技術(shù)相結(jié)合的方向開展。〔3〕NMR技術(shù)將廣泛用于核酸化學(xué)，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(duì)于糖化學(xué)的應(yīng)用將顯示出越來越大的潛力，采用NMR技術(shù)來測(cè)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(xué)以及與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)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(dòng)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)構(gòu)，描示結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征，了解化學(xué)反響的中間態(tài)及相互匹配時(shí)能量的變化.〔6〕NMR技術(shù)將進(jìn)一步深入生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域，研究生物細(xì)胞和活組織的各種生理過程的生物化學(xué)變化。參考文獻(xiàn)[1].盧穹宇.姬勝利.LUQiong-yu.JISheng-li核磁共振技術(shù)在糖類結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用[期刊論文]-中國(guó)生化藥物雜志2008,29(3)[2].周秋菊.向俊鋒.唐亞林核磁共振波譜在藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用[期刊論文]-波譜學(xué)雜志2010,27(1)[3].李波.陳海華.許時(shí)嬰二維核磁共振譜在多糖結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用[期刊論文]-天然產(chǎn)物研究與開發(fā)2005(4)[4].夏忠庭.劉大有.王曉穎.孫永旭.陸亞男.劉科峰.李麗賢核磁共振新技術(shù)在三萜皂苷結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用[期刊論文]-長(zhǎng)春中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)2003(4)[5].高虹核磁共振(NMR)技術(shù)在油脂和食品中的應(yīng)用[期刊論文]-中國(guó)油脂2003(9)[6].方潤(rùn)等.核磁共振技術(shù)