核磁共振研究进展.doc

2005-2011年核磁共振研究进展摘 要 核磁共振分析技术是利用物理原理, 通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质。它不破坏被测样品的内部结构, 是一种无损检测方法。本文重点介绍了核磁共振技术在高分子材料分析，结构生物学，食品品质分析，重油表征，表面活性剂混合胶束体系等中的应用研究进展。关键词 核磁共振技术 应用 研究进展核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。核磁共振技术主要有两个学科分支: 核磁共振波谱(Nu-clearMagnetic Resonance Spectroscopy) 和磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging, 简称 MR I)。核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的, 主要用于测定物质 的化学成分和分子结构。核磁共振成像技术诞生于 1973 年, 它是一种无损测量技术, 可以用于获取多种物质的内部结构图像。最初的核磁共振技术主要用于核物理方面, 现今已经被化学, 食品, 医学, 生物学, 遗传学以及材料科学等领域广泛采用, 已经成为在这些领域开展研究工作的有力工具。11、 固体核磁共振在高分子材料分析中的研究2动态核磁共振(dynamic NMR)一般用于研究物质内部分子、原子运动对核磁共振信号的影响。高分子动态NMR方法被用来研究高分子体系的时间相关性。可通过测定分子弛豫数据考察分子运动的速度,研究分子运动与大分子结构的内在关系。还有人研究了压力对无规聚丙烯分子链运动的影响,其平均相关时间符合Vogel-Fulcher-Tammann-Hesse (VFTH)关系。由于不同的组分有各自独立的NMR参数,多组分多相高分子材料也可以用固体NMR来研究。为了得到结构稳定、性能优异的多组分高分子复合材料,研究聚合物之间的相容性是非常必要的。孔旭新等通过测量13C的CP/MAS谱、1H弛豫时间T1及T1,对一系列淀粉-丙烯酸钠接枝共聚物的相结构进行了研究。并对其结晶度和相容性水平进行了测定。林伟信等测定了不同拉伸比下的聚醚酯嵌段共聚物的13C NMR谱,对其聚集态结构和分子运动进行了研究。并通过1H自旋扩散实验,估算出结晶与非晶区的界面层厚度。张磊等以C60和聚氧化乙烯(PEO)的复合物为研究对象,系统地研究了交叉极化时间对分子间交叉极化实验的影响。指出在使用分子间交叉极化方法研究复合体系相结构时,必须考虑交叉极化时间的影响才能获得更可靠的结论。固体二维谱可以方便的在分子水平上研究多组分多相材料相间相互作用及相容性等问题。不同组分核之间产生的交叉峰,可直观的说明组分间在分子水平的相容性。最近其又对环氧树脂与某种三嵌段共聚物的共混性、微观结构及分子链运动进行了研究。并且利用质子自旋扩散方法定量确定了其相间界面层的厚度。2、 核磁共振波谱应用于结构生物学的研究3核磁共振波谱技术是能够在原子分辨率下测定溶液中生物大分子三维结构的唯一方法。目前在蛋白质三维结构数据库（PDB）中，用核磁共振方法解出结构的数目占15%左右。用核磁技术研究动态的生物大分子之间, 以及蛋白质与核酸, 或与配基的相互作用，核磁共振波谱技术特别适合研究瞬时存在、不稳定的复合物。过去几年中，一些 Kd为 10-4M 10-3M 的蛋白质复合物的结构陆续用 NMR 方法解出，采用的是半滤波的核欧沃豪斯效应谱 （half-filtered NOESY）。在这些实验中15N 和13C 标记的蛋白质 A，与未标记的蛋白质 B 混合，或作相反的标记。如果蛋白质的浓度足够高，具有高灵敏的核磁硬件条件（高场谱仪，低温探头），可以检测到分子间的核欧沃豪斯效应增强 （NOE），从而得到复合物的结构。用上述方法近年来测定了一批弱相互作用复合物的三维结构。核磁共振研究的时间尺度可以包括从皮秒到秒的范围，得到的动力学信息可以特别确定到所研究的基团。通过自旋 - 晶格弛豫时间、自旋 - 自旋弛豫时间，及 NOE 的测量可以获得皮秒 - 纳秒的动力学信息。近年来发展了测定微秒 -毫秒的动力学的方法relaxation dispersion experiment。用固体核磁共振与液体核磁共振技术研究膜蛋白的结构与功能等。核磁共振研究在 micelles、bicelles，或者在脂双层中的膜蛋白，所用的方法包括液体核磁共振方法和固体核磁共振方法。目前已成功地解析了多个膜蛋白结构。其中外膜蛋白质 （outer-membrane protein, OmpX；PDB code1Q9F）就是一例。将核磁共振方法与快速混合装置结合可以研究蛋白质折叠路径。这种实验被称为流动 - 淬灭脉冲标记的 H/D 交换 实 验 （Quench-flow hydrogen-exchange pulse labeling）。3、 核磁共振技术在食品品质分析中的研究4NMR在蛋白质检测方面的应用，主要是用来确定其结构或三级结构，并可深入了解一定时间内化学反应和蛋白质构象转变的动力学过程。可以通过核磁共振技术确定被固定的不同部分的水分子的流动性质及其结构特征。利用 NMR 对淀粉进行研究，主要是利用体系中不同质子的弛豫时间来研究淀粉的回生、糊化和颗粒结构。NMR 主要是用来研究糖的结构及糖苷键之比等。4、核磁共振分析技术在重油表征中的研究5核磁共振(NMR)在重油分析中的应用始于20世纪50年代。Brown, Ladner提出了著名的计算重质馏分油平均结构参数的方程式(B-L式)。随着仪器技术的进步,多脉冲谱图编辑技术如非灵敏极化转移增强法(INEPT)、无畸变极化转移增强实验(DEPT)和门控自旋回波技术(GASPE),以及二维核磁共振分析技术的出现,使NMR测定的可靠性获得了显著提高。目前重油的化学组成表征主要为结构基团分析法。核磁共振13C NMR、1H NMR谱技术可以直接给出油品的芳氢含量w(HA)、芳碳含量w(CA)(ASTM D5292),结合元素分析结果还可以给出重馏分油的多种结构基团浓度和分子平均结构参数。核磁共振分析技术测定油品中的碳、氢含量，重油结构基团浓度的估算，重油的烃组成定量分析，测定重油结构参数与物性的关联。5、 核磁共振波谱技术应用在表面活性剂混合胶束体系中的研究6 由于表面活性剂混合体系具有协同效应,又称协同作用或增效作用,使得混合体系通常较单一体系在性能上更具优势。当前,核磁共振技术(NMR)在表面活性剂混合体系研究中应用十分活跃,扩散、弛豫、二维等多种现代核磁共振技术被成功用于表面活性剂混合体系的胶束形成动力学过程、胶束表征以及胶束物理/化学特性等研究工作中。核磁共振波谱中,1H具有灵敏度高、天然丰度高的优点,在表面活性剂胶束体系研究中使用广泛,1H谱线的化学位移与其在检测体系中所处的化学环境有关。在胶束体系中,较弱的影响因素通常反映有关分子的自聚集,或混合体系不同分子和基团的局部自聚集,分子或离子间相互作用等信息。表面活性剂分子缔合形成胶束时的最低浓度为临界胶束浓度,1H质子的化学位移变化能反映出表面活性剂的临界胶束浓度信息。由于热运动,分子的转移或扩散是一个重要的分子动力学过程,该过程用分子的自扩散来定量描述。而分子动力学过程的测定可通过核磁共振波谱的脉冲场梯度(PFG)技术完成,即通过自扩散系数的测定,分析和研究表面活性剂溶液的相结构,如胶束的大小、形状和聚集数等,其中包括胶束对反离子的束缚、胶束中小分子的增溶平衡和微乳液结构等。将二维NOE(nuclearoverhausereffect)谱用于表面活性剂研究是近十几年迅猛发展起来的应用技术,2D NOESY被日益广泛地用以分子链的包裹和分子间相互作用的研究,尤其是在混合体系中, 2D NOESY谱尤为重要, 它不仅能表现出分子内的NOE效应也能显示分子间的相互作用点以及混合胶束排列方式。用2D NOESY谱研究表面活性剂-聚合物体系,可以确定表面活性剂与聚合物间发生的相互作用及相互作用点和分子间的相对排列。6、沸石17O固体核磁共振研究7沸石作为一类最重要的固体氧化物材料,是17O固体核磁共振最早研究对象之一.近年来,随着核磁共振谱仪磁体场强的不断提高,以及新脉冲序列的发展,17O固体核磁共振被越来越多地应用于沸石的结构表征,在研究骨架氧结构以及测定Brnsted酸位的O-H键长等方面都提供了非常丰富的信息。7、 固体核磁共振波谱在石油化工多相催化研究中的应用8随着MAS 等技术的推广应用，多量子跃迁、双共振、原位测试和核磁成像等固体核磁共振新技术在催化材料研究方面又有新发展。魔角旋转（MAS）、双向旋转（DOR）、二维多量子魔角旋转（2D MQ MAS）、双共振（REDOR，TRAPDOR 和REAPDOR）、原位测试（in situ）和核磁共振成像（MRI）等固体核磁共振新技术在石油化工多相催化研究中的应用越来越广泛。虽然 DOR 和DAS等针对27Al 等 I1/2 核的新技术没有像 MAS 那样得到广泛应用，但近年来发展较快的 2D MQ MAS 开辟了更全面表征分子筛骨架内外 Al 的新途径，可能会越来越多地替代27Al MAS NMR 表征催化材料中 Al 的分布。原位NMR 也是 21 世纪在催化材料研究中发展较快的实验方法。8、不均匀不稳定磁场下高分辨液体核磁共振新技术的研究9高分辨核磁共振(NMR)谱的获得通常需要高度稳定且均匀的强静磁场，阻抗磁体或阻抗-超导混合磁体可获得比超导磁体高得多的磁场，但它们的磁场的稳定性与均匀性比较差；另一方面,在活体定域波谱研究中，样品内部组分的磁化率差异，运动或生理活动等作用将不可避免地导致磁场的不均匀不稳定，并且这些不稳定不均匀性无法通过锁场匀场等传统的方法消除。基于分子间零量子相干的方法、空间编码单扫描快速方法、反卷积技术等日渐成为在不均匀不稳定磁场下获取高分辨率的NMR谱的研究热点。磁场的不均匀性将导致谱线的增宽,磁场的不稳定性将导致谱峰相位与频率随时间变化。然而当磁场的漂移大于1 Hz/s,且强度高于1 mT时或者实验中无法引入氘代试剂时,我们无法使用锁场来消除磁场的不稳定性。在阻抗磁体或阻抗-超导混合磁体的超高场下,可以通过感应屏蔽(即在样品管外沿磁场方向放入高传导金属管围住样品)等消除磁场的波动； Varian Nano-NMR样品管的出现使我们能够通过魔角旋转和磁化率匹配流体技术实现树脂球上固相合成物的研究。除了NMR硬件上的改进外,还可以通过设计脉冲序列和数据处理方法在不均匀不稳定场下获取高分辨谱。核磁共振分析技术是利用物理原理, 通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质。它不破坏被测样品的内部结构, 是一种无损检测方法。NMR 的量子化学计算为天然产物的结构鉴定提供了一种新的工具。许多研究都表明 NMR 的量子化学模拟可以提供分子内效应、分子间效应、绝对位移值等大量信息。因此量子化学NMR 计算为天然产物的结构鉴定提供了一种新的手段。NMR 谱仪与高效液相色谱和电泳等分离技术的联用技术在复杂生物样品的分析中将发挥越来越重要的作用,研究的领域也会扩展到包括天然产物中的微量活性成分的测定。相信 NMR 技术就像是一架梯子, 会使我们在化学和生命科学领域取得更多的硕果。参考文献 1 方润等.核磁共振技术测试技术进展及应用.上海塑料J.2003( 01) : 29- 33.2 杨伟,渠荣遴. 固体核磁共振在高分子材料分析中的研究进展M.高分子通报, 2006，12，69-74.3 施蕴渝, 吴季辉. 核磁共振波谱应用于结构生物学的研究进展J. 生物物理学报，2007，23（40）：240- 245.4 周航，李泽荣，李保国. 核磁共振技术在食品品质分析中的研究进展M. 农产品加工学刊，2009，03：47- 49.5 刘丰秋,王京,田松柏. 核磁共振分析技术在重油表征中的研究进展J. 分析测试学报，2007，26（06）：933- 939