核磁共振技术的应用

1 核磁共振技术的应用 一、简介： 19世纪人们致力于探索化学分子的性质，化学反应第一次能被预言，由此导致了化学工业前所未有的发展。 20世纪上半叶的量子力学革命，使人们能理解分子结构的起因并能计算分子的电子结构。化学键从一系列规则发展成为具有坚实基础的可靠理论。20世纪下半叶，量子力学知识最终得到充分的利用。人们很快认识到：通过紫外、可见、红外光谱区的光谱，分子的分立能级之间的跃迁对于分子的鉴定是非常特征的。同时也认识到X射线衍射对晶体物质分子结构鉴定的重要性。与此同时，质谱成为确定分子的结构学和连接顺序的强有力的方法。最后，核磁共振被认为是研究分子性质的最通用，最权威的技术：从三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应和超分子集体。 在以往的50年里，光谱学已经全然改变了化学家、生物学家、生物医学家、材料学家、药学家等的日常工作。光谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最可靠、最有效的手段之一，它们在将来的科学和技术发展中仍将必不可少。 建立在（光）波谱学基础上的结构鉴定是化学和物理的边缘科学，是化学的前沿学科之一。NMR波谱学是物理学、化学以及生命科学等多学科研究物质成分、结构和动态强有力的常规工具。它对有机化学、生物化学、材料化学、植物化学、药物化学乃至物理化学、无机化学等均起着积极的推动作用。它在药学、化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。波谱学有很强的理论性，也有很高的应用性，快速、灵敏、准确是它的应用特点。 波谱学中的核磁共振是1946年由美国斯坦福大学F. Bloch和哈佛大学E. M. Purcell 各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振不仅形成为一门有完整理论的新兴学科———核磁共振波谱学，而且，在这50年间已有12位科学家因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖。 现在，核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入到物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。已经从物理学渗透到化学、生物、地质、药学、医学、农业、环境、矿业、脑科学、量子计算机、纳米材料、C60、软物质、超导材料以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。

二、核磁共振原理简介： 核磁共振的原理主要是：普通红外光是指波长在2-15um的电磁波，紫外光（又称近紫外光）是指波长在200－400nm的电磁波，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance）是指频率在60兆赫以上（波长在纳米级）的低能量电磁波与物质原子核相互作用的一种物理现象。 紫外光的能量较大，故当它照射到分子上时，会引起分子中价电子能级的跃迁。红外光的能量较低，它只能引起分子中成键原子核间振动和转动能级的跃迁。核磁共振波的能量更低，它产生的是原子核自旋能级的跃迁。 原子核除了具有电荷和质量外，约有半数以上的原子核具有自旋。由于原子核是带电荷的粒子，旋转时即产生一小磁场。这些原子核的能量在强磁场中将分裂成两个或两个以上的量子化能级。当适当波长的电磁辐射照射这些在磁场中的核时，原子核便在这些磁诱导能级之间发生跃迁，并产生强弱不同的吸收讯号。这些吸收讯号就是核磁共振信号，通过电路的放大，计算机的傅立叶变换，最后得到相关的谱图，这就是核磁共振谱图。 核磁共振仪主要由磁体、谱仪、探头和工作站四部分组成。 2

磁体的作用是提供一个稳定的高强度磁场，目前商业核磁已经能够提供950MHz的超强磁场，对于医学院和药学系，一般400MHz的磁场已经能够满足实际需要。 谱仪用于供给固定频率的电磁辐射。 样品管安放在检测探头中可使样品管固定在磁场中某一确定的位置。接受线圈和传送线圈也安装在检测探头中，以保证样品相对于这些组件的位置不变。检测探头还装有气动涡轮，能使样品管绕其轴迅速旋转，以减少磁场不均匀影响。 工作站用于发出指令和处理相关数据。

三、核磁共振分类： 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一下几个方面：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。

例一，确定分子结构。用核磁共振法得到乙基苯的核磁共振谱图如图8所示。由图可见位于乙基苯中不同的化学集团(甲基)(次甲基)(苯基)中的氢核，因其化学环境不同而有不同的化学位移，依次为1.22ppm,2.63ppm和7.18ppm，而标准物质TMS的。 图中显示出：不同化学集团处有不同的峰值数，这是由于不同化学集团间核的自旋耦合作用引起的能 3

级分裂而造成的。谱线还有一定的宽度，吸收峰的面积正比于相 应化学集团中氢核的数目。因而对吸收曲线所包围面积进行积分，便可知各化学集团中包含氢核的数目。核磁共振仪中配置的电子积分器，可把谱线强度画成阶梯式 的线，以阶梯的高度代表峰面积的相对值。由图8可知，乙基苯三个化学集团中氢核的数目比为5:2:3。

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。

例二，核磁共振MRI。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 4

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。图9所 示的人体成像装置核磁共振成像系统由磁体系统、谱仪系统、计算机系统和图象显示系统组成。磁体系统由主磁体、梯度线圈、垫补线圈和与主磁场正交的射频线圈 组成，是核磁共振发生和产生信号的主体部分。谱仪系统是产生磁共振现象并采用磁共振信号的装置，主要由梯度场发生器和控制系统、MR信号接收和控制等部分组成。计算机图象重建系统要求配备大容量计算机和高分辨的模数转换器（analog/difital converter, A/D），以完成数据采集、累加、傅立叶转换、数据处理和图象显示。

过去诊断人体内部的病变只能靠计算机辅助X射线层析技术（CT）。今天，核磁共振层析术已成为医学上一种普遍使用的重要诊断手段。图10是人的头部纵剖面的NMR像，它显示了X射线成像看不到的细节。NMR成像还有一个好处，就是对病人无辐射危害。因此，这一技术存在着广阔的应用前景。

四、应用范围： 液体核磁共振已经显示出它的广泛应用： 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。

1、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。 利用1H、13C、15N、31P等核磁共振谱确定有机化合物分子结构和变化，原子的空间位置和相互间的关联。 2、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。应用化学中精细有机合成的进一步发展，各种新型表面活性剂 的合成、涂料的改性、水处理技术添加剂的研制、新型激光材料以 及有机反应过程的动态和稳态的研究都必须依靠固体NMR谱仪的配合。高分子化合物聚合度的研究；高分子材料在变温条件下，分子结构的动态变化研究；测定自扩散系数、化学交换系数随温度变化的研究，核磁共振显示出在动力学方面的功能。 利用核磁共振方法有可能解决某些属于分子结构和晶体结构的问题，有可能研究固体中分子运动的性质，研究结构相变（例如铁电体的结构相变），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精细场等。 利用核磁共振方法研究硅酸盐材料中硅结构的变化，可以知道水泥中硅的聚合度。可以研究硅酸盐玻璃中铝的配位结构及其变化。

3、在药学中可以用它分析各种中药和西药的结构。 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。此外，液体NMR还能分析药物的稳