核磁共振技術

核磁共振技術周瑞1〔1.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林省長春130000〕摘要：核磁共振是指原子核在外加恒力磁場作用下產(chǎn)生能級分裂，從而對特定的電磁波發(fā)生共振吸收的現(xiàn)象通過。因而測定和分析受測物質(zhì)對電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子，以及原子之間的距離多大，并據(jù)此分析出它的三維結構。核磁共振技術〔nuclearmagneticresonance,NMR〕開展至今已經(jīng)六十多年了，在材料科學，化學，醫(yī)療，石油化工等領域已經(jīng)有了廣泛的應用，許多科學家因研究NMR而獲得諾貝爾獎。關鍵詞：核磁共振技術；NMR波譜；原理；應用中圖分類號：O571.25+1文獻標識碼：AnuclearmagneticresonanceZhourui1Jilinuniversitycollegeofinstrumentation&electricalengineeringJilinprovinceChangchun130000〕Abstract:.Nuclearmagneticresonanceisreferstothenucleiintheexternalenergylevelsplittingconstantforceproducedundertheactionofmagneticfield,thustheelectromagneticwavetohappeninaparticularresonanceabsorptionphenomenon.Thusthedeterminationandanalysisofthetestsubstancebyabsorptionofelectromagneticwavewillbeabletodeterminewhatkindofatomsitcontains,andthedistancebetweenatomsmuch,andanalysingitsthree-dimensionalstructure.Thetechnologyofnuclearmagneticresonance(nuclearmagneticresonanceNMR,)andnowhasmorethan60years,inmaterialsscience,medical,chemical,petrochemicalandotherfieldshasbeenwidelyused,manyscientiststoobtainNobelprizeforresearchonNMR.Keywords:nuclearmagneticresonance；NMRspectrum；principle；application0、引言：從19世紀40年代中期，美國哈佛大學珀塞爾和斯坦福大學布洛赫等人發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象以來，核磁共振技術飛速開展。目前，核磁共振已廣泛地應用到物理、化學、生物特別是醫(yī)學等各個領域。它是研究核結構和準確測量磁場的重要方法之一?；瘜W家利用核磁共振技術解析分子結構即核磁共振的波譜分析。醫(yī)學上制成核磁共振成像儀，為臨床診斷和生理學、醫(yī)學研究提供重要數(shù)據(jù)。核磁共振還用在地質(zhì)勘探上，核磁共振探測是MRI技術在地質(zhì)勘探領域的延伸，通過對地層中水分布信息的探測，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結構信息。1、核磁共振的物理原理核磁共振是原子核在外磁場中，能級之間共振躍遷的現(xiàn)象。原子核帶正電并有自旋運動，其自旋運動必將產(chǎn)生磁矩，稱為核磁矩。核磁矩μ與原子核的自旋角動量S成正比，即=S，式中為比例系數(shù)，稱為原子核的旋磁比。在外磁場中,原子核自旋角動量的空間取向是量子化的，它在外磁場方向上的投影值為：。，m為核自旋量子數(shù)。依據(jù)核磁矩與自旋角動量的關系，核磁矩在外磁場中的取向也是量子化的，它在磁場方向上的投影值為：，對于不同的核，m分別取整數(shù)或半整數(shù)。在外磁場中,具有磁矩的原子核具有相應的能量,其數(shù)值可表示為：。式中B為磁感應強度?？梢姡雍嗽谕獯艌鲋械哪芰恳彩橇孔踊?。由于磁矩和磁場的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能級，相鄰的兩個能級之差為：

ΔE=γhB。用頻率適當?shù)碾姶泡椛湔丈湓雍?，如果電磁輻射光子能量h恰好為兩相鄰核能級之差ΔE，那么原子核就會吸收這個光子，發(fā)生核磁共振的頻率條件是:h=

γhB=γhB/2或，式中為頻率，為圓頻率。對于確定的核,旋磁比可被精確地測定?？梢?通過測定核磁共振時輻射場的頻率，就能確定磁感應強度；反之，假設磁感應強度,即可確定核的共振頻率。2、核磁共振的開展歷史1930年代，物理學家伊西多·拉比發(fā)現(xiàn)在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，由圖1所示，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。圖1磁場中的原子核沿磁場方向排列1946年兩位美國科學家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個核子〔包括質(zhì)子和中子〕的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對核磁共振現(xiàn)象的認識，為此他們兩人獲得了1950年度諾貝爾物理學獎，由圖2所示。1966年，Ernst創(chuàng)造脈沖傅立葉變換核磁共振技術,促進了13C、15N、29Si核磁及固體核磁的開展。圖2布洛赫和珀塞爾3、核磁共振技術的應用3.1核磁共振技術的分支核磁共振技術主要有兩個學科分支：核磁共振波譜和磁共振成像。核磁共振波譜技術是基于化學位移理論開展起來的，主要用于測定物質(zhì)的化學成分和分子結構。磁共振成像技術誕生于1973年，它是一種無損測量技術，可以用于獲取多種物質(zhì)的內(nèi)部結構圖象。由于核磁共振可獲取的信息豐富，因此應用領域十分廣泛，如分析化學、生命科學、材料檢測、石油勘探和水資源探查等等。3.2醫(yī)學應用在醫(yī)學方面，醫(yī)學家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結構，在這一理論根底上1969年，紐約州立大學南部醫(yī)學中心的醫(yī)學博士達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功的將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區(qū)分開來，在達馬迪安新技術的啟發(fā)下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅·勞特伯爾于1973年開發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(MRI)，并且應用他的設備成功地繪制出了一個活體蛤蜊地內(nèi)部結構圖像。勞特伯爾之后，MRI技術日趨成熟，應用范圍日益廣泛，成為一項常規(guī)的醫(yī)學檢測手段，廣泛應用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷，如圖3所示。圖3人腦的核磁共振成像3.3生物學應用在生物學方面，生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核，當與外磁場和射頻場相互作用，并且滿足共振條件時，將吸收射頻場能量而發(fā)生自旋能級間的躍遷，這就是核磁共振(NMR)的根本原理。由于NMR技術可以對含水樣品進行非破壞性測量，從而使觀測能在接近生理條件下實現(xiàn)，并可通過生物膜上H、C和P進行綜合研究，尤其是可以從原子或基團水平上提供分子的動態(tài)結構和運動的信息，是研究生物膜結構的有力工具，如圖4所示。圖4生物膜結構生物膜主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，結構比擬復雜，而磷脂脂質(zhì)體卻能表現(xiàn)出生物膜結構的許多性質(zhì)，是生物膜的理想模型。磷脂脂質(zhì)體主要以凝膠相和液晶相存在，在凝膠相，分子的局部運動很慢，分子間和分子內(nèi)的偶極相互作用沒有被有效地平均，所以NMR譜線很寬，得到的信息非常少;而在液晶相，分子局部運動受到的限制減少，運動加快，從而使NMR譜線窄化，得到高分辨的NMR譜。NMR技術在生物膜結構研究中應用非常廣泛。用H、C和PNMR譜可以鑒定磷脂的種類。通過弛豫時間測定的方法可以研究磷脂雙分子層不同部位的流動性。將磷脂分子不同位置的氫選擇氘代，用H四極分裂和P化學位移各向異性的方法可以研究磷脂脂酰鏈的流動性、極性基團的構象以及磷脂與其它分子的相互作用(蛋白質(zhì)、藥物和金屬離子等)，利用P化學位移各向?qū)苑椒梢匝芯苛字亩嘈涡?。近年來，隨著NMR技術的開展，二維(2D)和固體高分辨NMR技術也被應用于生物膜研究領域，并且已成為非常重要的手段。利用通過化學鍵建立的相關譜(如COSY等)可以進行多組分磷脂或磷脂與其它分子混合體系每個基團的譜線歸屬。而通過空間建立的相關譜(如NOESY等)可以直接提供基團之間距離的信息，是研究膜脂結構以及與其它分子相互作用的有力工具。固體高分辨技術不僅可以研究液晶態(tài)的磷脂，而且可以應用于凝膠態(tài)磷脂的研究中。對于某一種磁性核，其磁矩在磁場中可以有不同的取向。對于質(zhì)子而言，可以有兩種取向，即與靜磁場平行和反平行，前者屬于低能態(tài)，后者屬于高能態(tài)。如果在垂直于靜磁場的方向上加一個射頻場，當射頻場的頻率與核的Larmor頻率(核磁矩繞磁場方向進動頻率)相等時，處于低能態(tài)的核子便吸收射頻能，躍遷到高能態(tài)。射頻場去掉后，高能態(tài)的核子通過弛豫過程又回到低能態(tài)，從而就能觀察到NMR的信號。弛豫過程有兩種，一種是自旋—晶格弛豫，此過程用T1表示;另一種是自旋—自旋弛豫，用T2表示。T1是描述自旋體系吸收能量后將其能量轉(zhuǎn)移給它周圍環(huán)境而恢復到平穩(wěn)態(tài)的時間，T2過程中自旋體系內(nèi)部有能量的偶合，自旋體系總能量沒有變化。弛豫時間與分子運動有關，通過弛豫時間的測定，可以研究生物膜各部位的流動性。生物膜C和P化學位移各向異性與運動有很大關系。所謂化學位移各向異性，是指核所處的靜磁場方向改變，核的共振頻率(即化學位移)就發(fā)生變化，由于I=的核周圍電子密度分布是球?qū)ΨQ，所以如果靜磁場方向改變，核的有效感應磁場也就隨之變化，處于不同形態(tài)，其運動方式不同，因而化學位移被平均的取向也不同。通過P化學位移各向異性可以研究磷脂的多形性;此外，還可以用I=1的H各向異性(四極分裂)譜研究磷脂分子空間取向的平均分布信息。2DNMR有別于常規(guī)一維(1D)NMR的主要點在于1DNMR只涉及一個頻率變量，是吸收峰強度對一個頻率變量作圖;而2DNMR譜那么代表兩個獨立頻率，是吸收峰強度對兩個頻率變量作圖。一般將2DNMR實驗分4個區(qū)域，即預備期、開展期(t1)、混合期(可以沒有)和檢測期(t2)。預備期是為了使磁化矢量到達適當?shù)某跏紤B(tài)而設置的，接著在開展期磁化矢量進行演化，在混合期內(nèi)自旋系統(tǒng)發(fā)生相干轉(zhuǎn)移，最后在檢測期信號被檢測。逐次改變t1反復循環(huán)累加，最后將所得數(shù)據(jù)進行兩次傅里葉變換：即可得到2DNMR譜。2DNMR譜可分為通過化學鍵和空間建立起來的兩類相關譜，兩類2DNMR譜對譜線歸屬都非常重要，后者對于生物膜分子空間構象研究也非常有力。3、核磁共振技術的展望NMR波譜技術今后最富有前景的應用領域有以下幾個方面：〔1〕繼續(xù)幫助有機化學家從自然界尋找具有生物活性的新穎有機化合物，今后這方面的研究重點是結構與活性的關系。即研究這些物質(zhì)在參與生命過程時與生物大分子〔如受體〕或其它小分子相互作用的結構特征和動態(tài)特征。〔2〕更多地用于多肽和蛋白質(zhì)在溶液中高次構造的解析，成為蛋白質(zhì)工程和分子生物學中研究蛋白質(zhì)結構與功能關系的重要工具。并朝著采用穩(wěn)定同位素標記光學CIDNP法與2D-NMR，3D-NMR技術相結合的方向開展。〔3〕NMR技術將廣泛用于核酸化學，確定DNA的螺旋結構的類型和它的序列特異性。研究課題將集中在核酸與配體的相互作用，其中核酸與蛋白質(zhì)分子、核酸與小分子藥物的相互作用是最重要的方面?！?〕NMR技術對于糖化學的應用將顯示出越來越大的潛力，采用NMR技術來測定寡糖的序列，連接方式和連接位置，確定糖的構型和寡糖在溶液中的立體化學以及與蛋白質(zhì)相互作用的結構特征和動態(tài)特征將是重要的研究領域?！?〕NMR技術將更多地用于研究動態(tài)的分子結構和在快速平衡中的變化。以深層理解分子的結構，描示結構的動態(tài)特征，了解化學反響的中間態(tài)及相互匹配時能量的變化.〔6〕NMR技術將進一步深入生命科學和生物醫(yī)學的研究領域，研究生物細胞和活組織的各種生理過程的生物化學變化。參考文獻[1].盧穹宇.姬勝利.LUQiong-yu.JISheng-li核磁共振技術在糖類結構解析中的應用[期刊論文]-中國生化藥物雜志2008,29(3)[2].周秋菊.向俊鋒.唐亞林核磁共振波譜在藥物發(fā)現(xiàn)中的應用[期刊論文]-波譜學雜志2010,27(1)[3].李波.陳海華.許時嬰二維核磁共振譜在多糖結構研究中的應用[期刊論文]-天然產(chǎn)物研究與開發(fā)2005(4)[4].夏忠庭.劉大有.王曉穎.孫永旭.陸亞男.劉科峰.李麗賢核磁共振新技術在三萜皂苷結構研究中的應用[期刊論文]-長春中醫(yī)學院學報2003(4)[5].高虹核磁共振(NMR)技術在油脂和食品中的應用[期刊論文]-中國油脂2003(9)[6].方潤等.核磁共振技術