核磁共振的原理及其應(yīng)用發(fā)展

1、核磁共振的原理及其應(yīng)用發(fā)展核磁共振的原理及其應(yīng)用發(fā)展摘要:核磁共振是能夠深入到物質(zhì)內(nèi)部而不破壞被測(cè)量對(duì)象的一種分析物質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)代技術(shù)，它通過(guò)利用原子核在磁場(chǎng)中的能量變化來(lái)獲得關(guān)于原子核的信息，具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在科研和生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了核磁共振技術(shù)的基本原理，以及核磁共振在化學(xué)化工、生物化學(xué)、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用，并指出核磁共振波譜技術(shù)將成為21世紀(jì)一個(gè)異常廣闊的譜學(xué)研究領(lǐng)域.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：核磁共振；N

2、MR譜儀引言引言核磁共振(NuclearMagicResonance，NMR)波譜學(xué)是一門發(fā)展非常迅速的科學(xué)。核磁共振是根據(jù)有磁的原子核，在磁場(chǎng)的作用下會(huì)引起能級(jí)分裂，若有相應(yīng)的射頻磁場(chǎng)作用時(shí)，在核能級(jí)之間將引起共振躍遷，從而得到化學(xué)結(jié)構(gòu)信息的一門新技術(shù)。最早于1946年由哈佛大學(xué)的伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch)等人用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[1]。兩人由此共同分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2]。核磁共振技術(shù)

3、可以提供分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)的信息，已成為分子結(jié)構(gòu)解析以及物質(zhì)理化性質(zhì)表征的常規(guī)技術(shù)手段[3]，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在化學(xué)中更是常規(guī)分析不可少的手段。從70年代開(kāi)始，在磁共振頻譜學(xué)和計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)等基礎(chǔ)上，又發(fā)展起一項(xiàng)嶄新的醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，即核磁共振成像技術(shù)，并在醫(yī)學(xué)臨床上獲得巨大成功。本文主要介紹了核磁共振技術(shù)及其在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。1.核磁共振原理核磁共振原理泡利(W.Pauli)在1924年首先

4、提出原子核具有磁矩，并認(rèn)為核磁矩與其本身的自旋運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，用此理論成功地解釋了原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)[4]。核磁矩μ與核自旋角動(dòng)量L之間的關(guān)系為：美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子(包括質(zhì)子和中子)的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。1964年后，核磁共振譜儀經(jīng)歷兩次重大的技術(shù)革命，其一是磁場(chǎng)超導(dǎo)化其二是脈沖傅立葉變換技術(shù)。從根本上提高了核磁共振波譜儀的靈敏度

5、，同時(shí)譜儀的結(jié)構(gòu)也有了很大的變化。1964年美國(guó)Varian公司研制出世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁場(chǎng)的核磁共振譜儀(HR—200型，200MHZ，場(chǎng)強(qiáng)474T)。2004年布魯克Biospin公司推出了全球第一款用于核磁共振領(lǐng)域的900MHz主動(dòng)屏蔽式超導(dǎo)核磁共振磁體產(chǎn)品—900US2TMmag，是當(dāng)時(shí)最高場(chǎng)強(qiáng)的主動(dòng)屏蔽式磁體產(chǎn)品。2002年北京大學(xué)安裝成功的由世界最大的波譜磁體生產(chǎn)廠家布魯克公司提供的中國(guó)首臺(tái)800MHz核磁共振儀填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高

6、場(chǎng)譜儀的空白，也使北大成為世界上具有重要影響的超高場(chǎng)新用戶。2.1二維核磁共振技術(shù)二維核磁共振技術(shù)1971年，Jeener首先提出了二維核磁概念。80年代，Ernst小組詳細(xì)分析了二維實(shí)驗(yàn)，全面系統(tǒng)論述了二維核磁共振原理。后經(jīng)Ernst和Freeman等小組的卓越工作，使二維核磁共振成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)。因此，Ernst獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，二維核磁共振技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜生物大分子的研究，尤其對(duì)于那些分子量不太大的物質(zhì)(M小于10kd)

7、，高分辨核磁技術(shù)給出的結(jié)構(gòu)，可與X射線衍射相媲美。隨著核磁共振儀兆數(shù)的提高，分辨率的增加，以及標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，大分子量的蛋白結(jié)構(gòu)也能用核磁共振技術(shù)確定。新興起的三維核磁共振(3DNMR)技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于生物分子的研究，有人用13C，15N，2H標(biāo)記的三維核磁共振研究了分子量小于40kd的蛋白質(zhì)。美中不足的是，三維核磁共振實(shí)驗(yàn)需時(shí)長(zhǎng)，且蛋白質(zhì)標(biāo)記過(guò)程復(fù)雜，一定程度上限制了三維核磁共振技術(shù)的廣泛應(yīng)用。2.2固體高分辨核磁共振固體高分辨核磁共