核磁共振技术

核磁共振技术周瑞1（1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林省长春130000）摘要：核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对特定的电磁波发生共振吸收的现象通过。因而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，以及原子之间的距离多大，并据此分析出它的三维结构。核磁共振技术（nuclearmagneticresonance,NMR）发展至今已经六十多年了，在材料科学，化学，医疗，石油化工等领域已经有了广泛的应用，许多科学家因研究NMR而获得诺贝尔奖。关键词：核磁共振技术；NMR波谱；原理；应用中图分类号：O571.25+1文献标识码：AnuclearmagneticresonanceZhourui1（1、Jilinuniversitycollegeofinstrumentation&electricalengineeringJilinprovinceChangchun130000）Abstract:.Nuclearmagneticresonanceisreferstothenucleiintheexternalenergylevelsplittingconstantforceproducedundertheactionofmagneticfield,thustheelectromagneticwavetohappeninaparticularresonanceabsorptionphenomenon.Thusthedeterminationandanalysisofthetestsubstancebyabsorptionofelectromagneticwavewillbeabletodeterminewhatkindofatomsitcontains,andthedistancebetweenatomsmuch,andanalysingitsthree-dimensionalstructure.Thetechnologyofnuclearmagneticresonance(nuclearmagneticresonanceNMR,)andnowhasmorethan60years,inmaterialsscience,medical,chemical,petrochemicalandotherfieldshasbeenwidelyused,manyscientiststoobtainNobelprizeforresearchonNMR.Keywords:nuclearmagneticresonance；NMRspectrum；principle；application0、引言：从19世纪40年代中期，美国哈佛大学珀塞尔和斯坦福大学布洛赫等人发现核磁共振现象以来，核磁共振技术飞速发展。目前，核磁共振已广泛地应用到物理、化学、生物特别是医学等各个领域。它是研究核结构和准确测量磁场的重要方法之一。化学家利用核磁共振技术解析分子结构即核磁共振的波谱分析。医学上制成核磁共振成像仪，为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据。核磁共振还用在地质勘探上，核磁共振探测是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。1、核磁共振的物理原理核磁共振是原子核在外磁场中，能级之间共振跃迁的现象。原子核带正电并有自旋运动，其自旋运动必将产生磁矩，称为核磁矩。核磁矩μ与原子核的自旋角动量S成正比，即=S，式中为比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中,原子核自旋角动量的空间取向是量子化的，它在外磁场方向上的投影值为：mhI。，m为核自旋量子数。依据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的，它在磁场方向上的投影值为：hm，对于不同的核，m分别取整数或半整数。在外磁场中,具有磁矩的原子核具有相应的能量,其数值可表示为：hbmBE。式中B为磁感应强度。可见，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差为：ΔE=γhB。用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量h恰好为两相邻核能级之差ΔE，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振的频率条件是:h=γhB=γhB/2或B2，式中为频率，为圆频率。对于确定的核,旋磁比可被精确地测定。可见,通过测定核磁共振时辐射场的频率，就能确定磁感应强度；反之，若已知磁感应强度,即可确定核的共振频率。2、核磁共振的发展历史1930年代，物理学家伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，由图1所示，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。图1磁场中的原子核沿磁场方向排列1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识，为此他们两人获得了1950年度诺贝尔物理学奖，由图2所示。1966年，Ernst发明脉冲傅立叶变换核磁共振技术,促进了13C、15N、29Si核磁及固体核磁的发展。图2布洛赫和珀塞尔3、核磁共振技术的应用3.1核磁共振技术的分支核磁共振技术主要有两个学科分支：核磁共振波谱和磁共振成像。核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的，主要用于测定物质的化学成分和分子结构。磁共振成像技术诞生于1973年，它是一种无损测量技术，可以用于获取多种物质的内部结构图象。由于核磁共振可获取的信息丰富，因此应用领域十分广泛，如分析化学、生命科学、材料检测、石油勘探和水资源探查等等。3.2医学应用在医学方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的医学博士达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术(MRI)，并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多发性硬化症等脑部与脊椎病变以及癌症的治疗和诊断，如图3所示。图3人脑的核磁共振成像3.3生物学应用在生物学方面，生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核，当与外磁场和射频场相互作用，并且满足共振条件时，将吸收射频场能量而发生自旋能级间的跃迁，这就是核磁共振(NMR)的基本原理。由于NMR技术可以对含水样品进行非破坏性测量，从而使观测能在接近生理条件下实现，并可通过生物膜上H、C和P进行综合研究，尤其是可以从原子或基团水平上提供分子的动态结构和运动的信息，是研究生物膜结构的有力工具，如图4所示。图4生物膜结构生物膜主要由蛋白质和脂质组成，结构比较复杂，而磷脂脂质体却能表现出生物膜结构的许多性质，是生物膜的理想模型。磷脂脂质体主要以凝胶相和液晶相存在，在凝胶相，分子的局部运动很慢，分子间和分子内的偶极相互作用没有被有效地平均，所以NMR谱线很宽，得到的信息非常少;而在液晶相，分子局部运动受到的限制减少，运动加快，从而使NMR谱线窄化，得到高分辨的NMR谱。NMR技术在生物膜结构研究中应用非常广泛。用H、C和PNMR谱可以鉴定磷脂的种类。通过弛豫时间测定的方法可以研究磷脂双分子层不同部位的流动性。将磷脂分子不同位置的氢选择氘代，用H四极分裂和P化学位移各向异性的方法可以研究磷脂脂酰链的流动性、极性基团的构象以及磷脂与其它分子的相互作用(蛋白质、药物和金属离子等)，利用P化学位移各向导性方法可以研究磷脂的多形性。近年来，随着NMR技术的发展，二维(2D)和固体高分辨NMR技术也被应用于生物膜研究领域，并且已成为非常重要的手段。利用通过化学键建立的相关谱(如COSY等)可以进行多组分磷脂或磷脂与其它分子混合体系每个基团的谱线归属。而通过空间建立的相关谱(如NOESY等)可以直接提供基团之间距离的信息，是研究膜脂结构以及与其它分子相互作用的有力工具。固体高分辨技术不仅可以研究液晶态的磷脂，而且可以应用于凝胶态磷脂的研究中。对于某一种磁性核，其磁矩在磁场中可以有不同的取向。对于质子而言，可以有两种取向，即与静磁场平行和反平行，前者属于低能态，后者属于高能态。如果在垂直于静磁场的方向上加一个射频场，当射频场的频率与核的Larmor频率(核磁矩绕磁场方向进动频率)相等时，处于低能态的核子便吸收射频能，跃迁到高能态。射频场去掉后，高能态的核子通过弛豫过程又回到低能态，从而就能观察到NMR的信号。弛豫过程有两种，一种是自旋—晶格弛豫，此过程用T1表示;另一种是自旋—自旋弛豫，用T2表示。T1是描述自旋体系吸收能量后将其能量转移给它周围环境而恢复到平稳态的时间，T2过程中自旋体系内部有能量的偶合，自旋体系总能量没有变化。弛豫时间与分子运动有关，通过弛豫时间的测定，可以研究生物膜各部位的流动性。生物膜C和P化学位移各向异性与运动有很大关系。所谓化学位移各向异性，是指核所处的静磁场方向改变，核的共振频率(即化学位移)就发生变化，由于I=的核周围电子密度分布是球对称，所以如果静磁场方向改变，核的有效感应磁场也就随之变化，处于不同形态，其运动方式不同，因而化学位移被平均的取向也不同。通过P化学位移各向异性可以研究磷脂的多形性;此外，还可以用I=1的H各向异性(四极分裂)谱研究磷脂分子空间取向的平均分布信息。2DNMR有别于常规一维(1D)NMR的主要点在于1DNMR只涉及一个频率变量，是吸收峰强度对一个频率变量作图;而2DNMR谱则代表两个独立频率，是吸收峰强度对两个频率变量作图。一般将2DNMR实验分4个区域，即预备期、发展期(t1)、混合期(可以没有)和检测期(t2)。预备期是为了使磁化矢量达到适当的初始态而设置的，接着在发展期磁化矢量进行演化，在混合期内自旋系统发生相干转移，最后在检测期信号被检测。逐次改变t1反复循环累加，最后将所得数据进行两次傅里叶变换：即可得到2DNMR谱。2DNMR谱可分为通过化学键和空间建立起来的两类相关谱，两类2DNMR谱对谱线归属都非常重要，后者对于生物膜分子空间构象研究也非常有力。3、核磁共振技术的展望NMR波谱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-NMR，3D-NMR技术相结合的方向发展。（3）NMR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）NMR技术对于糖化学的应用将显示出越来越大的潜力，采用NMR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。（5）NMR技术将更多地用于研究动态的分子结构和在快速平衡中的变化。以深层理解分子的结构，描示结构的动态特征，了解化学反应的中间态及相互匹配时能量的变化.（6）NMR技术将进一步深入生命科学和生物医学的研究领域，研究生物细胞和活组织的各种生理过程的生物化学变化。参考文献[1]