核磁共振检测技术

核磁共振检测技术概述核磁共振技术即NMR(NuclearMagneticResonance)，与紫外光谱、红外光谱、质谱并称为有机分子结构检测的“四大名谱”。核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支。核磁共振的原理质子数和质量数至少有一个是奇数的原子核，其自旋角动量I不为零，称为磁性核，具有自旋现象。磁性核可看作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴运动，产生磁场，类似一个小磁铁。微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的，有2I+1种取向。每一种取向都代表一种能量状态。处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。迄今为止，只有I=1/2的原子核，其核磁共振信号才能利用，通常有1H、13C、19F、31P等，现在的研究集中在1H13C两类原子核的图谱。当停止电磁波辐射，原子核按特定频率发出射电信号，释放吸收的能量，被接受器收录，经计算机处理获得核磁共振波谱图。质子的共振频率与其结构有关。在高分辨率下，吸收峰发生化学位移和裂分。由核磁共振图，可获得质子所处的化学环境的信息，进一步确定化合物的结构。核磁共振的特点①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组分在化合物中所占的比例；③谱线的分辨率极高。一些实际的应用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药品鉴定在医学上的应用人体不同组织的水含量不同，探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像。核磁共振成像技术通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构。对人体没有辐射影响，成像清晰，能够显示多种细节，不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用。生物学上的应用热力学研究如测定酶与底物、配基、抑制剂的结合常数；测定可解离基团的pK值，特别是能测定生物大分子中分处不同微环境的同类残基的同类基团的不同pK值，这是其他方法所不及的；还可测定相变温度，△G等其他热力学参数。动力学研究如监测反应进程，测定各组分随时间的变化；通过变温实验和线形分析，测平衡过程的动力学常数，反应速率，研究分子间（如酶与抑制剂，DNA与药物）相互作用的动力学过程。分子运动研究弛豫参数（T1，T2，NOE）可用来研究生物高分子的动力学，以及生物膜的流动性。分子构象及构象变化研究目前用二维核磁共振技术加上计算机模拟已能独立确定小的蛋白质分子及核苷酸片段在溶液中的三维空间结构。改变物理化学因素或加入可与生物分子相互作用的其他物质，将会使核磁图谱发生变化，从而可用来研究这种构象变化。食品和药品上的应用确定蛋白质结构或三级结构，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。研究蛋白质与其他大分子或小分子的相互作用，因为这种相互作用非常弱，并且是瞬间的，且不容易结晶，应用核磁共振光谱研究这种相互作用。应用于识别和表征某些化学品能抑制蛋白质功能，用于合理设计药物。自旋—晶格弛豫时间和自旋—自旋弛豫时间与水分子转动有关，所以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研究糖的结构及糖苷键之比等核磁共振新技术核磁双共振：两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上，使两个原子核同时发生共振二维核磁共振：将挤在一维谱中的谱线在二维空间展开,从而较清晰地提供了更多的信息NMR成像技术：投影重建、Fourier、弛豫时间、线扫描、切片扫描、高分率成像和快速成像等技术魔角旋转技术：通过样品的旋转来达到减小样品相互作用，避免掩盖精细谱线结构。极化转移技术：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，从而提高非灵敏核的观测灵敏度发展现状及应用前景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，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。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。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。THEENDTHANKS