核磁共振技术的概述及重要成果的回顾

核磁共振技术的概述及重要成果的回顾

基础医学01级 何冰 90105109

摘要：核磁共振是指原子核在外加恒定磁场作用下产生能级分裂，从而对特定频率的电磁波发生共振吸收的现象。因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子，原子之间的距离多大，并据此分析出它的三维结构。核磁共振现象发现五十多年来，已经有多位著名科学家因从事NMR 或与NMR 有关的研究而获得诺贝尔奖。本文联系一些有重要贡献的科学家的主要贡献对核磁共振及其相关研究作简要的回顾。

关键词：核磁共振（NMR），诺贝尔奖，循序指认法,核磁共振成像。

原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电，它们在不断地做自旋运动。当外磁场时，按量子力学原则，允许的自旋态也是量子化的，因此在磁场中不同取向的自旋核所具有的能量就会有所不同，即能级产生了分裂。当外加合适频率的电磁波时，可以引起原子核两个能级的跃迁：处于低能级的核可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波跃迁到高能级，使原子核的能量增加，而处于高能级者则发射能量回到低能级，两者的跃迁的几率是相同的，但由于任意温度下处于低能级的核总是多于处于高能级的核，因此总起来说仍表现为对电磁波的净吸收现象。核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）,是指原子核在外加恒定磁场作用下产生能级分裂，从而对特定频率的电磁波发生共振吸收的现象。

科学家在1945年核磁共振现象。由于不同的原子核吸收不同的电磁波，因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子，原子之间的距离多大，并据此分析出它的三维结构。这种技术已经广泛地应用到医学诊断领域。

NMR 波谱学研究的对象是原子核自旋。核自旋系统可以用射频场进行随心所欲的操纵，这就为理论物理学家和实验物理学家演示量子力学和统计力学的基本概念提供了最简单的和教科书式的测试系统。核自旋实际上已成为科学家探讨物质世界的“探针”。这些“探针”极端定域，能够详尽地报告它们自己以及近邻的状态核变化。它们之间的偶极－偶极相互作用和标量耦合相互作用能够分别提供原子核间距或化学键二面角等分子几何信息，从而使从分子和原子水平上研究宏观物质成为可能。NMR 技术已经发展成为研究液态分子的极为重要的手段，而对于溶液中的DNA 和蛋白质构象的研究，NMR 是目前唯一的方法。因此，化学家和生物学家成了NMR 及自旋系统最大的受益者。

核磁共振现象发现五十多年来，已经有多位著名科学家得诺贝尔奖。现联系一些有重要贡献的科学家的主要贡献

对核磁共振及其相关研究作简要的回顾。

1943年，美籍德国人因从事NMR 或与NMR 有关的研究而获O.Stern 因发展分子束的方法和

发现年，美籍奥地利人I.I.Rabi 因应用共振方法测定

了原Felix Bloch 与Edward Purcell 在1945

年就质子磁矩获得了诺贝尔物理学奖。

1944子核的磁矩和光谱的超精细结构获得了诺贝尔物理学

奖。

美籍物理学家发现，将某些拥有1/2的核转量(nuclear spin)的原

子核(nuclei)置于一个强大的磁场中时，会吸收无线电波的频率，并首次观测到宏观物质核磁共振信号，这个发现导致他们得到了1952年的诺贝尔物理奖。

1971年，

R.Damadian第一次发现了正常生物组织和肿瘤组织中水的核磁信号的弛豫性质的不同，

Felix Bloch Edward Purcell R.Damadian

早期磁共振的运用受限于其低灵敏度，年，瑞士的化学家Richard Erns

correlation spectrum for a complicated organic molecule. The two frequency axes correspond to the resonance frequencies of protons and carbon-13. The occurrence of a signal at a certain spot means that the carbon atom which corresponds to the "latitude" in the map is directly bonded to the p esonance frequency is given by the "longitude". The one-dimensional proton and carbon-13 spectra are shown below and on the side of the map.

在核磁共振发展之前，以晶体的X光绕射光谱来决定蛋白质分子的三度空间结构是唯一的方法，在1957年发表了第一个真正的蛋白质(肌红蛋白)之三维结构，这使得Max Perutz因此于1962年得到诺贝尔化学奖。这种结晶学是基于X光在蛋白质晶体中的绕射现象，导致了更进一步的一些诺贝尔奖工作之发展。科学家一直在寻求另一种与X光结晶学互补的方法，能够决定分子在水溶液中之结构，因为这较能模拟生化分子在自然界中存在的状态。

使人们看到了核磁共振在临床诊断和生物医学基础研究中的广阔的应用前景。

它需要非常浓的样品。1966

t的研究显示，若改变过去改变扫描频率的做

法，而以一个短而强的无线电波脉冲施于样品，则

可以大幅提升其灵敏度。他的贡献也包括了在1970

年代所发展的方法，能决定在一个分子中每一个核

的相邻关系，因此透过磁共振光谱的判读就可以推

导出该分子的结构。恩斯特因发明了傅立叶变换核

磁共振分光法和二维及多维的核磁共振技术而获

得1991

年度诺贝尔化学奖。

A

roton whose r

恩斯特的方法对于相当小的分子是很成功的，然而对于大的分子就很难，因大分子含有更多结构分析的

基石择生物大分子中的氢原子核作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算器处理后就可形成活特利用这种方法第一次3000个蛋白质的结构。库尔特.维特利用核磁共振（NMR）奖。

on through the C positions, hydrophobic

side chains are yellow, and polar and charged side

indicated in red (negative charge), white 振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。图像。根据现有实验结果，它对身体没有域的奠基性成果。

是由原子组成的，而原子的主要部分是原核讯号，造成无法区辨哪一个讯号是属于哪一个核的。最后解决了这个问

题的科学家就是瑞士的库尔特·维特。

库尔特·维特里希发展一个将核磁共振运用到像蛋白质这样的大生化

分子的方法，他利用一种系统化的方法将讯号与正确的氢核配对，此法称

为循序指认法(sequential assignment)，堪称为现今所有NMR 。他又利用nuclear Overhauser effect 找出许多对氢核之间的距离，

然后运用一个基于距离与几何结构的数学方法(distance geometry

algorithm)，搭配以上的信息，计算出该分子的三维结构。这种方法的原

理可以用测绘房屋的结构来比喻：当我们选定一座房屋的所有拐角作为测量对象，然后测量所有相邻拐角间的距离和方位，据此就可以推知房屋的结构。维特里希选生物大分子的三维结构图。这种方法的优点是可对水溶液中的蛋白质细胞中的蛋白质进行分析，能获得蛋白质在生理状态的结构。1985年，维绘制出蛋白质的结构。目前，科学家已经利用这一方法绘制出超过进行分析，进而可对里希教授同美国科学家约翰.芬恩、日本科学家田中耕一由于“发明了技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”，而获得2002年诺贝尔化学(a)Cartoon of the three-dimensional structure of

the intact bPrP(23-230). Helices are green,

beta-strands are cyan, segments with nonregular

secondary structure within the C-terminal domain

are yellow, and the flexibly disordered "tail" of

residues 23-121 is represented by 108 yellow dots,

each of which represents a residue of the tail.

(b) Stereo-view of an all-heavy atom presentation

of the globular domain in bPrP(23-230), with

residues 121-230, in the same orientation as in

a. The backbone is shown as a green spline

functi chains are violet.

(c and d) Surface views of the globular domains

of bPrP and hPrP, respectively. The orientation

of the molecule is slightly changed relative to

a, so that the residue 186 is approximately in the

center. The electrostatic surface potential is

(neutral), and blue (positive charge). The figures were prepared with the program MOLMOL.

正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共这种方法精确度高，可以获得患者身体内部结构的立体损害。2003年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领

核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质