核磁共振技术及应用-综述

核磁共振技术及应用学号：2011201373姓名：杨海源摘要:综述核磁共振技术的基本原理与优势以及该技术作为一种检测分析手段在生物医药、食品、化工业中的应用进展。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)是以原子核自旋的共振跃迁为探测对象的谱学方法。其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号。此方法专属性强、准确快捷,可与其它方法相互补充,用于诸多环节且有很好的应用前景。但在实际的应用中也还存在一些问题,有待于进一步深入研究。关键词:核磁共振技术，NMR，生物，食品，石油，分析，检测AbstractThetechnologyofnuclearmagneticresonance(NMR)applyinginbiologicalmedicine,food,chemicalindustrydetectionathomeandabroadwassummarized.Themostbasicprinciplesofnucleibymagnetizedinamagneticfield,thespinangularmomentumprecession,plusenergynucleivibrationfrequencyatthesametime,thenucleiabsorbenergyleveltransitionoccurs,resonanceabsorptionsignal.Accordingtocurrentsituation,ithassomeadvantagesinfooddetectionsuchasfastness,accuracy,intactness.However,therearestillsomeshortcomings,andweshouldfurtherresearchtosolvetheminfuture.1.前言核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)波谱学是一门发展非常迅速的科学，是一种物质与低频电磁波（通常为1000MHz的无线电波）相互作用的基本物理现象。在20世纪中期由荷兰物理学Goveter最先发现，于1946年由哈佛大学的伯塞尔(E.M.Purcell)和斯坦福大学的布洛赫(F.Bloch)等人用实验所证实。两人因这一发现而分享了1952年诺贝尔物理学奖。初期开始在食品科学领域发挥其优势，随着该技术的不断更新，该技术在物理、化工、生物、医药、食品、航天等领域得到广泛应用。通过大批科学家的深入研究，核磁共振技术不断获得改进和创新，目前已经发展出一系列具有特殊用途的核磁共振信技术，比如核磁双共振、二维核磁共振、核磁共振成像技术、魔角旋转技术、极化转移技术等。这些技术的完善和成熟使得核磁共振技术在生产、生活、科研当中获得了广泛的应用。本文主要介绍了核磁共振技在生物医药、食品、化工业的应用进展。2.核磁共振基本原理及特点其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信。原子核带有正电,许多元素的原子核进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的,但将其置于外加磁场中时,核自旋空间取向从无序向有序过渡，自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用,如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。在射频脉冲停止后,自旋系统已激化的原子核,不能维持这种状态,将回复到磁场中原来的排列状态,同时释放出微弱的能量,成为射电信号,把这许多信号检出,并使之能进行空间分辨,就得到运动中原子核分布图像。磁共振最常用的核是氢原子核质子(1H),因为它的信号最强,在人体组织内也广泛存在。相比于其他传统的检测方法，核磁共振法能够保持样品的完整性，是一种非破坏性的检测手段，操作方法简单快速，测量精确，重复性高；样品无需添加溶剂，定量测定无需标样；测量结果受材料样本大小与外观色泽的影响较小，且不受操作员的技术和判断所影响。另外,利用该技术可在短时间内同时获得样品中多种组分的弛豫时间曲线图谱，从而能准确地对样品进行分析鉴定。3.核磁共振技术在生物医药研究中的应用NMR在生物医学领域的应用最为广泛也最受关注，蛋白质等生物大分子的三维结构和相互作用动力学的测定,以生物大分子为靶标的药物筛选和药物分子结构优化，NMR已成为蛋白质结构与功能研究和药物研发的强有力的工具。新型NMR实验和各种同位素标记技术的综合运用在解析蛋白复合物结构相互作用界面确定中及其它复合物的研究中，往往能达到意想不到的效果，解析结构的上限提高了一个数量级。NMR弛豫弥散技术(relaxationdispersion)是近年来蛋白质动力学研究的重要进展之一，它通过改变自旋回波时间(CPMG)来测量横向弛豫速率受到的化学交换或相互作用等慢过程的影响,用于研究蛋白质中间态的结构和动力学过程。顺磁弛豫增强技术也是近年来NMR领域的一大突破，它可以通过测定蛋白质的动态结构变化,为复合物形成过程中低分布的激发态蛋白的存在提供有力的结构证据。用NMR技术可研究药物与蛋白质的相互作用，其中最著名的是1996年Abbott实验室Shuker等人提出SAR-by-NMR的概念,即通过比较加入药物前后的同位素标记蛋白质NMR谱图，来确定化合物是否与蛋白质有相互作用,特别适合筛选结合较弱的药物。生物领域常用NMR方法包括转移NOE(nuclearover-hausereffect,NOE)法、饱和转移差谱STD法、Water-LOGSY法等。其中转移NOE法灵敏度较低，适于测定离解常数在100nM与1mM之间的体系。STD是研究药物与蛋白相互作用的非常普遍并行之有效的方法之一。近年来,它被用于检测药物8500kDa人源鼻病毒蛋rhinovirus(HRV2)的相互作用以及药物与RNA的相互作用。它和魔角旋转(MAS)技术相结合,还可测定多糖与固体麦胚凝集素的结合等等。近年来生物NMR发展迅速,新方法和新技术层出不穷,研究领域不断扩展。核磁共振技术在医学临床的应用已经成为新的研究热点。主要有脑内疾病检测，非损伤性核磁共振胰胆管显像技术(MRCP)判断胰胆管疾病的方法。相对于X射线透视技术和放射造影技术,MNR对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，核磁共振成像更加清晰,能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对心、肝等功能性反应进行精确的判定。在阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，核磁共振技术发挥了非常重要的作用。4.核磁共振技术在食品分析检测中的应用面对食品业、食品加工、分析检测技术等的快速发展与需求，核磁共振技术也应用于食品分析检测。如水分在食品中的含量、分布和存在状态的差异会直接影响到食品的品质、加工特性和稳定性等。NMR技术可以检测用不同温度冷冻食品过程水分迁移及水分含量的变化。在进行脂肪分析时，NMR法可取代油脂质量控制实验室中采用固体脂肪指数（SFI）分析方法唯一可行的、有潜在用途的仪器分析方法，并且已经形成了国际标准。目前国内在这方面的研究主要还集中在油料种子含油量的测定方面，而在国外的应用得则较为广泛。NMR技术在玻璃态转变研究中，聚合物由玻璃态转变为橡胶态时，含有质子基团的运动频率增加，质子活动性也随之改变，这些变化可由NMR所测的弛豫时间T1和T2来衡量。NMR技术在糖类分析研究中主要集中在结构解析方面，包括糖残基数目、组成单糖种类、端基构型、糖基连接方式和序列以及取代基团的连接位置等都能测出来。NMR技术在食品品质鉴定中已经成为有机和无机化合物的分子结构鉴定和研究的一种重要工具。同时，在定量分析中也起到了重要的作用，因此，依据不同食品的某些特定参考标准，NMR技术在食品成分、品质的分析鉴定方面也得到了有效应用，包括鉴别果蔬和谷物在生长过程中及采摘后的内部品质、成熟度、内部缺陷等，以及肉类、酒类、油脂类食品的原产地和品质优劣。还包括在食品污染物的分析和农药残留、肉中同化剂的作用、氨基酸的测定、食品中的平pH及氧化还原反应以及乳制品中微生物的测定等方面的研究都开始迅速发展。5.核磁共振在石油化工、陶瓷制作、航天方面的应用核磁共振技术除了在生物医药、食品领域中获得了广泛的应用外，在化工领域中的应用也同样广泛。为了提高石油资源开发与石油加工利用及评价。我国石油工程项目离不开核磁共振技术，该技术在我国石油的分析探测项目中的应用越来越普遍。在石油勘测过程中，通过分析石油地段岩石的核磁参数和石油储层物性参数两者之间的关系，进而求出储层石油藏量参数、渗透率和孔隙度等。核磁共振和质谱等现代先进仪器的出现和应用，大大提高了我国石油在加工利用上的效率和科技度。应用该技术能够分离鉴定出一些以极低浓度存在的新型生物种类。如利用核磁共振技术确定从原油中分离出来的一种新的三萜烷，它的结构为两顺一反的二杜松烷。依据类属相同的原油具有相似的加工特性这一原理，测出原油中各种成分的含量，可将原油分成相应的各大类为了提高高分子材料的性能及产量。在生产过程中需要准确把握聚合物种溶剂的扩散特征、聚合物均匀性、固态产物生长的空间取向等诸多于因素，这些高分子材料的生产要求都给核磁共振技术提供了广阔的应用场所。金属陶瓷的生产过程中容易出现一些严重影响材料性能的砂眼，这也需要采用核磁共振技术来检测。航天工业对火箭燃料的装填要求非常苛刻，通过核磁共振技术可以准确探测固体燃料中的缺陷以及填充物、推进剂、增塑剂的分布情况。另外，核磁共振技术还可在水环境监测、工程无损检测等方面发挥着积极作用。6.总结本文着重介绍了核磁共振技术基本原理及在生物医药、食品、化工领域的相关应用，其实它在生命科学、材料检测、纺织检测、水资源探查等很多领域都有广泛应用。在生物化学领域,该技术正受到蛋白质化学、生物工程技术乃至生命科学的广泛重视。随着研究对象复杂性的增加必将进一步推动核磁共振波谱学的发展。但是，NMR技术也存在仪器造价昂贵和讯号分析具有专门性与复杂性等缺点，且在实际应用中也还存在一些问题，有待于进一步深入研究，这些都限制了此种仪器在各领域中的普及和新仪器的开发。然而，从目前的研究现状来看,今后的研究主要集中在这几个方面，更深入地研究NMR机理；在检测某些物质的结构和性质时,可以结合固相微萃取、分子蒸馏等技术来克服该技术对样品质和量的要求；降低核磁共振仪的造价和运转费，以推动该技术的广泛应用。参考文献[1]张云.核磁共振技术的历史及应用[J].科技信息,2010-05-25[2]高明珠.核磁共振技术及其应用进展[J].信息记录材料,2011-06-15[3]姜凌,刘买利.核磁共振技术在生物研究中的应用[J].物理,2011-06-12[4]KorzhnevDM,ReligaTL,BanachewiczWetal.Science,2010,329-1312[6]赵桂生.核磁共振技术在医学临床的应用[J].医院放射科,2011-04-05[7]于小波,沈文斌,相秉仁.中国药科大学分析测试中心[J].药学进展,2010-01-25[8]周凝,刘宝林.王欣核磁共振技术在食品分析检测中的应用[J].食品工业科技,2010-08-24[9]LovedaySM,HindmarshJP,CreamerKL,etal.Physicochemicalchangesinamodelproteinbarduringstorage[J].FoodResearchInternational,2009,42:798-806[10]齐银霞,成坚,王琴.核磁共振技术在食品检测方面的应用[J].食品与机械,2008-11-18[11]陈玉宝.核磁共振技术在我国石油工程项目中的应用概述[J].科技促进发展,2012-04-10