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核磁共振波谱的发展和应用核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation) 的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强 有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。分类:按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率：60MHz、90MHz、200MHz.按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立叶变换NMR仪 （PFT-NMR）核磁共振(Nuc learMagnetic Resonance, 简称NMR核磁共振（NRB）波 谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析法。核磁共振波普通过化学位移值、谱峰多重性、耦合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定性的结构信息。核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应峰谱的峰面积之间的关系进行定量测定摘要:核磁共振是能够深入到物质内部而不破坏被测量对象的一种分析物质构造的现代技术，它通过利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于原子核的信息，具有迅速、准确、分辨率高等优点，因而在科研和生产中获得了广泛的应用。本文主要介绍了核磁共振技术的基本原理，以及核磁共振在化学化工、生物化学、医药等方面的应用，并指出核磁共振波谱技术将成为21世纪一个异常广阔的谱学研究领域.核磁共振( Nuclear Magnetic Resonance，NMR)波谱学是一门发展非常迅速的科学。核磁共振是根据有磁的原子核，在磁场的作用下会引起能级分裂，若有相应的射频磁场作用时，在核能级之间将引起共振跃迁，从而得到化学结构信息的一门新技术。2核磁共振技术的发展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，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。1946年两位美国科学家发现，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，就会发现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。1964年后，核磁共振谱仪经历两次重大的技术革命，其一是磁场超导化;其二是脉冲傅立叶变换技术。从根本上提高了核磁共振波谱仪的灵敏度，同时谱仪的结构也有了很大的变化。1964年美国Varian公司研制出世界上第一台超导磁场的核磁共振谱仪(HR200型， 200MHZ，场强474T)。2004年布鲁克Biospin公司推出了全球第一款用于核磁共振领域的900MHz主动屏蔽式超导核磁共振磁体产品900US2TMmagnet，是当时最高场强的主动屏蔽式磁体产品。2002年北京大学安装成功的由世界最大的波谱磁体生产厂家布鲁克公司提供的中国首台800MHz核磁共振仪填补了国内超高场谱仪的空白，也使北大成为世界上具有重要影响的超高场新用户。3.核磁共振的应用核磁共振技术能够在不破坏物质内部结构的前提下迅速、准确地分析物质结构，因而在科研和生产生活中得到了广泛的应用，从最初的物理学研究领域很快渗透到包括化学、生物学912、地质学1316、医疗保健912在内的各种学科之中，并在使用过程促进了相关学科的飞速发展。在化学化工产业中主要应用于分子的结构测定、元素的定量分析、有机化合物的结构解析、有机化合物中异构体的区分和确定、大分子化学结构的分析等领域；在生物学及医疗保健中则广泛应用于诸如生物膜和脂质的多形性研究、脂质双分子层的脂质分子动态结构确定、生物膜蛋白质与脂质之间的互相作用研究、压力作用下血红蛋白质结构的变化研究、生命组织研究等领域；核磁共振在地质学中的应用则主要体现在油气田的勘探、地下水资源的找寻、原油的定性鉴定和结构分析等方面。3.4核磁共振技术在其他领域研究中的应用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21.在日用化学和食品工业中，使用核磁测量物质的含水量和含油量以及其它性质。在药学中可以用它分析各种中药和西药的结构。核磁共振技术在活性药物化合物的筛选方面有着巨大的潜力，尤其在基于靶分子的筛选能够节省大量的时间和费用及其发现活性化合物方面的有效性是其它方法所不可替代的22。核磁共振技术在体内药物分析中也有较广泛的应用，具有简便性、无损伤性、连续性、高分辨性等优点23。在膜的研究中，有关膜的制备及分离或合成物质的结构鉴定、物质结构环境的变化及跟踪膜催化的反应机理等需要NMR谱仪。精细有机合成，环保中水质稳定剂和水质处理剂的机理、过程研究，合成反应过程的在线监控和原料、最终产品的质量监控离不开使用NMR谱仪。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。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3、在药学中可以用它分析各种中药和西药的结构。极化转移(PT)是一种非常实技术，它用二种特殊的脉冲序列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移，从而提高非灵敏核的观测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏度的富核处“借”到了极化强度。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还能分析药物的稳定性和药物代谢，测定靶蛋白的溶液空间结构及其动力学，研究靶蛋白与药物分子的相互作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，等等。近年来，国际药典、欧洲药典及美国药典指定NMR谱学技术作为对药物进行分子结构鉴定和药剂的定量研究主要工具。5、1953年，生物学上出现了一次引人注目的重大突破揭示了遗传之迷，发现了核糖核酸是遗传的物质基础，从而使生物学进入了第三个发展阶段，即分子生物学阶段。生物学之所以发展到这一阶段，主要是引入了大量的高精密实验观测和检测手段，如核磁共振谱仪、色谱仪、激光发射光谱仪等。生物中的有机相酶促反应、药物合成、生化反应及分离过程、杂环化学、电合成化学及环境生物治理等，恰是NMR谱仪在生物学、药物学和环境化学上发挥重要作用的领域。生命科学领域：本世纪一开始，人类基因组计划取得重大进展，迎来了后基因组时代。国际上，结构基因组计划已提到日程上来了。分子生物学中一个众所周知的事实是蛋白质生物活性和功能的多是在溶液中显现的。而能用于探测溶液中蛋白质的三维构象的唯一手段就是NMR。正因为如此，2002年的诺贝尔化学奖授予瑞士ETH的Wthrich,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。最具前沿科学的不溶性蛋白或膜蛋白空间三位结构研究也需要用到固体核磁。六、核磁共振发展前景：NMR波谱技术今后最富有前景的应用领域有以下几个方面： 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。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。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。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。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。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。以上都是与溶液NMR研究有关的领域，近年来固体NMR研究的NMR成象（imaging）技术也取得了巨大的进步，并在材料科学和生物医学研究方面继续发挥重要的作用。七、对学校的发展前景：另外，核磁共振对于学院的教学和科研也是非常重要的：1、NMR可以用与本科生 研究生的实验教学2、为计量认证提供合格高质量的硬件设备，拓宽对外服务项目3、近几年来，学校各学科需要承担和完成国家的如： 863 项目、“九五”攻关项目、973 项目，以及国家自认科学基金等重大国家科研项目，需要这样的大型仪器。4、要发展本大学，拥有在化学、生物等领域的重要手段 NMR 谱仪是必不可少的。许多可以承担的重大科研项目和任务，由于仪器功能限制无法深入地进行研究。这一切对学校研究水平的提高和涌现更多更高质量的科技论文具有很大的限制。因此配置高档次的 NMR 谱仪已是当务之急。否则，在国内各大学、各研究机构纷纷大力提高科研装配水平，增强自身研究实力的激烈竞争中，学校难以与他们抗衡。5、现在许多教师和研究生为了使研究项目进一步深入下去，不惜花大量经费到兄弟院校进行 NMR 测试。一来增加了麻烦，二来增加了费用。此外，其测试 12 次往往不能更深入解决课题的问题，给研究工作和研究水平带来很大的限制。所以，应从学校全局和发展的角度去看待如何应对科研水平的迅猛发展的激烈竞争。6、管理方式：面向全校的服务，结合兄弟院校的经验，拟对校新购置的核磁共振仪采用统一管理共同使用的原则。由学校直接管理和监督检查。由从事核磁共振的专业人员集中组成仪器的开发使用队伍。人员配备为 23 人,负责仪器功能开发、测试研究与人才培养,承担常规测试工作。同时要对学生开放，进行学生的教学和基础实验，与兄弟单位广泛开展合作性的研究。实现核磁共振的两种方法a扫场法: 改变B0b扫频法: 改变w 分子结构的测定 化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用 动力学核磁研究 质子密度成像 T1T2成像 化学位移成像 其它核的成像 指定部位的高分辨成像 元素的定量分析 有机化合物的结构解析 表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定 大分子化学结构的分析 生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究 生命组织研究中的应用 生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析 涂料分析 农药鉴定 食品分析 药品鉴定2 核磁共振技术的发展2.1.核磁共振成像术，简称核磁共振、磁共振或核磁，是80年代发展起来的一种全新的影像检查技术。它的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描术(简称MRl)是利用核磁共振成像技术进行医学诊断的一种新颖的医学影像技术。核磁共振是一种物理现象，早在1946年就被美国的布劳克和相塞尔等人分别发现，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学等领域，用作研究物质的分子结构。直到1971年，美国人达曼迪恩才提出，将核磁共振用于医学的诊断，当时，未能被科学界所接受。然而，仅仅10年的时间，到1981年，就取得了人体全身核磁共振的图像。使人们长期以来，设想用无损伤的方法，既能取得活体器官和组织的详细诊断图像，又能监测活体器官和组织中的化学成分和反应的梦想终于得以实现。核磁共振完全不同于传统的X线和CT，它是一种生物磁自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态形成图像，以作诊断。核磁共振所获得的图像异常清晰、精细、分辨率高，对比度好，信息量大，特别对软组织层次显示得好。使医生如同直接看到了人体内部组织那样清晰、明了，大大提高了诊断效率。避免了许多以往因手术前诊断不明而不得不进行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一些探查诊断性手术，使病人避免了不必要的手术痛苦以及探查性手术所带来的副损伤及并发症。所以它一出现就受到影像工作者和临床医生的欢迎，目前已普遍的应用于临床，对一些疾病的诊断成为必不可少的检查手段。核磁共振提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，它是一项革命性的影像诊断技术。因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。 80年代美国政府开始批准核磁共振机的商品化生产，并开始临床应用。我国从1985年引进第1台核磁共振机至今已有超过1000台在工作，目前医生们越来越认识到它在诊断各种疾病中的重要作用，其使用范围也越来越广泛。现代MRI已发展到3.0以上，立体三位MRI也已经出现，极大地提高了诊断水平。6 未来展望人脑是如何思维的，一直是个谜。而且是科学家们关注的重要课题。而利用MRI的脑功能成像则有助于我们在活体和整体水平上研究人的思维。其中，关于盲童的手能否代替眼睛的研究，是一个很好的样本。正常人能见到蓝天碧水，然后在大脑里构成图像，形成意境，而从未见过世界的盲童，用手也能摸文字。文字告诉他大干世界，盲童是否也能“看”到呢?专家通过功能性MRI，扫描正常人和盲童的大脑，发现盲童也会像正常人一样，在大脑的视皮质部有很好的激活区。由此可以初步得出结论，盲童通过认知教育，手是可以代替眼睛“看”到外面世界的。快速扫描技术的研究与应用。将使经典MRI成像方法扫描病人的时间由几分钟、十几分钟缩短至几毫秒，使因器官运动对图像造成的影响忽略不计：MRI血流成像，利用流空效应使MRI图像上把血管的形态鲜明地呈现出来，使测量血管中血液的流向和流速成为可能；MRI波谱分析可利用高磁场实现人体局部组织的波谱分析技术，