核磁共振研究综述

核磁共振技术的综述

一．核磁共振技术的概念

核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。经过70多年的不断发展,核磁共振技术目前巳被广泛地应用于生命科学,药物分析,石油或水资源勘测,以及医学成像等多个科学领域。核磁共振技术可以提供分子的化学结构和分子动力学的信息,已成为分子结构解析以及物质理化性质表征的常规技术手段。

二、核磁共振技术的基本原理

核磁共振的基本原理是:原子核有自旋运动，在恒定的磁场中，自旋的原子核将绕外加磁场作回旋转动，叫进动(precession)。进动有一定的频率，它与所加磁场的强度成正比。如在此基础上再加一个固定频率的电磁波，并调节外加磁场的强度，使进动频率与电磁波频率相同。这时原子核进动与电磁波产生共振，叫核磁共振。核磁共振时，原子核吸收电磁波的能量，记录下的吸收曲线就是核磁共振谱(NMR-spectrum)。由于不同分子中原子核的化学环境不同，将会有不同的共振频率，产生不同的共振谱。记录这种波谱即可判断该原子在分子中所处的位置及相对数目，用以进行定量分析及分子量的测定，并对有机化合物进行结构分析。

三．核磁共振技术的应用

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术不断发展，从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，人们甚至发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。

3.1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以下几个方面：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。

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。

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。

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。

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流程等

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。

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

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。

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。

四．展望

五．核磁共振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-核磁共振技术，3D-核磁共振技术相结合的方向发展。

③核磁共振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。

④核磁共振技术对于糖化学的应用将显示出越来越大的潜力，采用核磁共振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。