核磁共振技术及应用研究进展

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核磁共振（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ，简称ＮＭＲ）是交变磁场与物质相互作用的一种物理现象，最早于１９４６年被Ｂｌｏｃｈ和Ｐｕｒｃｅｌｌ等人用实验所证实［１］。核磁共振的发现具有十分重要的意义，不仅为量子力学的基本原理提供了直接的验证，而且为多个学科领域的研究提供了一种不可或缺的分析与测量手段。他们二人由于这项重大发现，共同分享了１９５２年的诺贝尔物理奖。

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。

在以往的半个世纪中，ＮＭＲ技术经历了几次飞跃。１９４５年ＮＭＲ信号的发现，１９４８年核磁弛豫理论的建立。１９５０年化学位移和耦合的发现以及１９６５年傅立叶变换谱学的诞生，迎来了ＮＭＲ的真正的繁荣期；自从７０年代以来，ＮＭＲ发展异常迅猛，形成了液体高分辨，固体高分辨和ＮＭＲ成像三雄鼎立的新局面。二维ＮＭＲ的发展，使得液体ＮＭＲ的应用迅速扩展到生物领域；交叉极化技术的发展，使５０年代就发明出来的固体魔角旋转技术在材料科学中发挥了巨大的作用；ＮＭＲ成像技术的发展，使ＮＭＲ进入了与人类生命息息相关的医学领域。

目前，ＮＭＲ技术已经成为研究高分子链结构的主要手段，对聚合物的构型，构象分析，立体异构的鉴定和序列分布，支化结构的长度和数量，共聚物和共缩聚物组成的定性，定量以及序列结构测定等均有独特的长处［２］。

核磁共振技术主要有两个学科分支：核磁共振波谱（Ｎｕ－ｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）和磁共振成像（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇ，简称ＭＲＩ）。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［３］。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。由于核磁共振可获取的信息丰富，因此应用领域十分广泛，如分析化学、生命科学、材料检测、石油勘探和水资源探查等。

１核磁共振的基本原理

核磁共振是指原子核在外磁场作用下，其在能级之间共振跃迁的现象。原子核磁性的大小一般用磁矩μ表示，μ具有方向性，μ＝νｈＩ，ｈ是普朗克常数，Ｉ为自旋量子数，简称自旋。旋磁比ν实际上是原子核磁性大小的度量，ν值大表示原子核的磁性强，反之亦然。在天然同位素中，以氢原子核（质子）的ν值最大（４２．６ＭＨｚ／Ｔ），因此检测灵敏度最高，这也是质子首先被选择为ＮＭＲ研究对象的重要原因之一。

当把有磁矩的核（Ｉ≠０）置于某磁场中，该原子核在磁场的行为就好似陀螺的运动——

—拉莫尔进动，其频率由下式决定：ω＝２πν。式中ω为角频率，ν为拉莫尔进动频率。当外加射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的核便吸收射频能，从低能态跃迁到高能态，此即核磁共振现象。没有自旋的原子核（Ｉ＝０）没有磁矩，这类核观察不到ＮＭＲ信号，如１４Ｃ，１６Ｏ，３２Ｓ等，Ｉ＝１／２的原子核是ＮＭＲ中研究得最多的核，如：１Ｈ，１３Ｃ，１９Ｆ，１５Ｎ等。

原子核的角动量通常称为核的自旋，是原子核的一个重要特性。由于原子核由质子和中子组成，质子和中子是具有自旋为１／２的粒子，它们在核内还有相对运动，因而具有相应的轨道角动量。所有核子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和就是原子核的自旋。原子核自旋角动量ＰＩ，遵循量子力学的角动量规则，它的大小为：ＰＩ＝［Ｉ（Ｉ＋１）］１／２ｈＩ为整数或半整数Ｉ是核自旋量子数。原子核自旋在空间给定Ｚ方向上的投影ＰＩＺ为：ＰＩＺ＝ｍＩｈ，ｍＩ＝Ｉ，Ｉ－１，…，－Ｉ＋１，－Ｉ其中ｍＩ叫磁量子数。实验发现，所有基态的原子核的自旋都满足下面的规律：偶Ａ核的自旋为整数，其中，偶偶核（质子数和中子数都是偶数）的自旋都为零；奇Ａ核的自旋都是半整数。核子是费米子，因此，核子数Ａ为偶数的原子核是玻色子，遵循玻色——

—爱因斯坦统计；核子数Ａ为奇数的原子核是费米子，遵守费米——

—狄拉克统计。原子核磁矩原子核是一个带电的系统，而且有自旋，所以应该具有磁矩。和原子磁矩相似，原子核磁矩μＩ和原子核角动量ＰＩ有关系式：μＩ＝μＮｇＩ［Ｉ（Ｉ＋１）］１／２μＺ＝ｍＩμＮｇＩ其中，ｇＩ称为原子核的朗德因子，μＮ＝ｅｈ／（２ｍｐ）＝５．０５０８×１０－２７Ｊ／Ｔ，称作核磁子。质子质量ｍｐ比电子质量ｍｅ大１８３６倍，所以核磁子比玻尔磁子小１８３６倍，可见原子核的磁相互作用比电子的磁相互作用弱得多。这个弱的相互作用正是原子光谱的超精细结构的来源。核磁共振由于原子核具有磁矩，当将被测样品放在外磁场Ｂ０中，则与磁场相互作用而获得附加的能量。Ｗ＝－μＩ?Ｂ０＝－ｍＩμＮｇＩＢ０，ｍＩ有２Ｉ＋１取值，即能级分裂成２Ｉ＋１个子能级，根据选择定则△ｍＩ＝±１，两相邻子能级间可以发生跃迁，跃迁能量：△Ｅ＝μＮ－ｇＩＢ０若其能级差△Ｅ与垂直于磁场方向上的电磁波光子的能量相等，则处在不同能级上的磁性核发生受激跃迁，由于处在低能级上的核略多于处在高能级上的核，故其净结果是低能级的核吸收了电磁波的能量ｈ＂跃迁到高能级上，这就是核磁共振吸收。该频率ｖ＝μＮｇＩＢ０／ｈ称为共振频率［４］。

２核磁共振技术的实验装置

实现核磁共振可采取两种途径：一种是保持外磁场不变，而连续地改变入射电磁波频率；另一种是用一定频率的电磁波照射，而调节磁场的强弱。图１为核磁共振现象的装置示意图，采用调节入射电磁波频率的方法来达到核磁共振。样品装在小瓶中，并置于磁铁两极之间，瓶外绕有线圈，通有由射频振荡器输出的射频电流。于是，由线圈向样品发射电磁波。调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化，当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰，这可以在示波器上显示出来，同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。

图１核磁共振实验装置示意图

核磁共振技术及应用研究进展

临沧师范高等专科学校数理系王东云

［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的原理及其在化学、生命科学中的应用。

［关键词］核磁共振技术原理应用

基金项目：本文为临沧师范高等专科学校校级课题。

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核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振的仪器，主要由磁铁、探头和谱仪三大部分组成。磁铁的功用是产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号；谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来。随着核磁共振技术的发展，已研制出各种类型的核磁共振仪。

３核磁共振技术的应用

３．１核磁共振技术在化学中的应用

３．１．１在分子结构的测定中的应用

核磁共振技术是测定分子结构的有效工具，现在已经测定了万余种有机化合物的核磁共振图。对分子结构的测定，包括对有机化合物绝对构型的测定和对复杂化合物结构的解析。应用核磁共振技术测定有机化合物的绝对构型，主要是测定Ｒ和（或）Ｓ手性试剂与底物反应的产物的１Ｈ或１３ＣＮＭＲ化学位移数据，得到△值与模型比较来推断底物手性中心的绝对构型。有的情况下，我们要做更多的谱才能确定一个分子的结构，包括：１Ｄ只要有氢谱、碳谱、极化转移谱；２Ｄ有氢－氢化学位移相关谱、碳－氢化学转移相关谱、远程化学位移相关谱以及Ｊ－分解谱等。对复杂化合物结构解析是核磁共振技术最为主要的应用［５］。利用这项技术可以获得化合物丰富的分子结构信息，广泛应用于天然产物的结构解析。在分析天然产物中，核磁共振仪的检出限较其它波谱分析仪器高，这对于产率较低的天然产物化合物来说无疑是一种瓶颈制约因素。不过，近期在仪器的相关技术上有了一些技术革新，并正在走向成熟［６］。

３．１．２在有机合成反应中的应用

核磁共振技术在有机合成中，不仅可对反应物或产物进行结构解析和构型确定，在研究合成反应中的电荷分布及其定位效应、探讨反应机理等方面也有着广泛应用［７］。核磁共振谱能够精细地表征出各个Ｈ核或Ｃ核的电荷分布状况，通过研究配合物中金属离子与配体的相互作用，从微观层次上阐明配合物的性质与结构的关系。对有机合成反应机理的研究主要是对其产物结构的研究和动力学数据的推测来实现的［８］。另外，通过对有机反应过程中间产物及副产物的辨别鉴定，可以研究有关有机反应历程及考察合成路线是否可行等问题。

３．１．３在定量分析和分子量测定中的应用

核磁共振谱峰的面积（积分高度）正比于相应质子数，这不仅用于结构的分析中，同样可用于定量分析。用ＮＭＲ定量分析的最大优点就是不需要引进任何校正因子或绘制工作曲线，ＮＭＲ可以用于多组分混合物分析、元素的分析、有机物中活泼氢及重氢试剂的分析等。

３．１．４在高分子化学中的应用

聚合物固体宽谱线ＮＭＲ可以提供有关结晶度、聚合物取向、玻璃化温度（Ｔ）等有关信息。还可以通过研究聚合反应过程ＮＭＲ谱线宽度的变化，了解反应过程中正在生长聚合物链的活动度变化，从而获得有关聚合反应动力学方面的信息［９］。聚合物液体高分辨ＮＭＲ可以提供聚合物的信息有：①聚合物类型的鉴定；②有关聚合物链的异构化信息；③通过１３Ｃ－ＮＭＲ谱可以分别研究其不同单元组的序列分布、交替度和不同反应条件下聚合过程链活动度变化等聚合物微观结构信息。

３．２核磁共振技术在其它领域的应用

核磁共振在生命科学和医学方面的应用近年来发展最为迅速，已经成为当前核磁共振技术研究的热点［１０］。

３．２．１核磁共振技术在医学中的应用

核磁共振作为一种对人体无创、无电离辐射的诊断工具，不仅适合做结构成像，还可以做功能性成像，因而使之和Ｘ射线、ＣＴ、超声成像等一道，成为当今几大最常用的医学成像技术。但是，核磁共振成像的一个重要不足是不能给出足够的信息说明正常组织与病理组织之间细胞代谢的区别。在组织中存在多种化合物（代谢作用产物），无损提取这些化合物信息，不仅有利于疾病的诊断和治疗，同时对阐明代谢的生理过程十分重要。核磁共振技术在药物研发过程中也有着重要的应用，它可以提供药物设计的结构信息，还可以通过ＮＭＲ技术进行配体的筛选，从而在确定药物的有效性等方面有着广泛的应用［１１］。

３．２．２核磁共振技术在生物技术中的应用

核磁共振分析技术可以无侵入的获取活体生物系统的信息，使ＮＭＲ技术在活体应用方面的研究进展迅速［１２］。ＮＭＲ技术可以用于分析生物细胞系统的代谢途径，包括分析细胞内的ｐＨ值、分析乳酸菌糖份的分解以及分析转基因生物的代谢过程等。ＮＭＲ技术还可以用于生物反应器系统的优化，将ＮＭＲ成像技术与代谢ＮＭＲ技术结合起来用于设计生物反应器，目前是一个全新的领域ＮＭＲ技术还可用于结构基因组学，可以方便的获取蛋白质、ＤＮＡ等的三级结构。

展望

对于复杂的生物样品，ＮＭＲ可以进行非破坏性的直接分析，因此其在过去二十年中取得了一系列令人瞩目的成就。不过，至今它还远没有达到其应用潜力的极限。预计未来它将在生命科学的研究中将起到其它任何已有的研究手段所不能起到的重要作用。它已在化合物的结构鉴定、化学反应过程的动态跟踪、生物分子溶液构象研究等方面作出了不可替代的重要贡献。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［６］。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］ＤｏｕｇｌａｓＡＳｋｏｏｇ，ＤｏｎａｌｄＭＷｅｓｔ．ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＩｎｓｔｒｕ－ｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓ（ｓｅｃｏｎｄｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．１Ａｍｅｒｉｃａ：ＳａｕｎｄｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ，１９８０．３７７．

［２］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．

［３］ＥｍｓｔＲ，ＢｏｄｅｎｈａｕｓｅｎＧ，ＷｏｋａｕｎＡ．一维和二维核磁共振原理［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９７：６－１２．

［４］王逗．核磁共振原理及应用．现代物理知识［Ｊ］．２００５（５）：５０－５１．

［５］陈彬，孔继烈．天然产物结构分析中质谱与核磁共振技术应用新进展［Ｊ］．化学进展，２００４，１６（６）：８６３－８７０．

［６］ＲｕｓｓｅｌｌＤＪ．，ＨａｄｄｅｎＣ．Ｅ．，ＭａｒｔｉｎＧ．Ｅ．，ｅｔａｌ．Ｎａｔ．Ｐｒｏｄ．，２０００，６３（７）：１０４７－１０４９．

［７］王进贤，席永盛．１３Ｃ化学位移与定位效应［Ｊ］．西北师范大学学报（自然科学版），１９９７，（１）：１０１－１０３．

［８］范纯等．一类含氟多取代苯酚的合成及其核磁共振研究［Ｊ］．波谱学杂志，２００１，１８（４）：３８３－３９０．

［９］严宝珍．核磁共振在分析化学中的应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，１９９５：１１４－１１８．

［１０］ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．ＩａｎＲＹ．ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ－ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇａｎｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｒ］．２０００．［１１］林克江等．药物设计中的生物核磁共振技术［Ｊ］．中国医科大学学报，２００４，３５（５）：３８７－３９２．

［１２］ＬｅｒｎｅｒＬ，ＨｏｒｉｔａＤＡ，ＴｅａｃｈｉｎｇＨｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＮｕｃｌｅ－ａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅｔｏＧｒａｄｕａｔｅＳｔｕｄｅｎｔｓｉｎＢｉｏｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．Ｂｉ２ｏ－ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９３，６５（１）：２６９２－６９７．

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