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核磁共振技术的发展及展望摘要：核磁共振经过50多年的发展应用，使得此项技术迅速成为在物理、化学、生物、地质、计量、医学领域研究的强大工具。高强磁场超导核磁共振仪的发展，灵敏度大大提高。近来出现的用于医学诊断的核磁共振成像技术（MRI）,是自X光发现以来医学诊断的重大进展。可以说NMR与诺贝尔奖结下了不解之缘。关键词：核磁共振技术、原理、应用、展望一、核磁共振的概念核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对特定的电磁波发生共振吸收现象。二、核磁共振的物理原理核磁共振是原子核在外磁场中，能级之间共振跃迁的现象。我们知道，原子核带正电并有自旋运动，其自旋运动必将产生磁矩，称为核磁矩。研究表明，核磁矩μ与原子核的自旋角动量S成正比,即：μγ=S。式中γ为比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中,原子核自旋角动量的空间取向是量子化的,它在外磁场方向上的投影值可表示为：I=mh。m为核自旋量子数。依据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的，它在磁场方向上的投影值为：μ=mγh。对于不同的核，m分别取整数或半整数。在外磁场中,具有磁矩的原子核具有相应的能量,其数值可表示为：E=-uB=mγhB。式中B为磁感应强度。可见，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差为：ΔE=γhB。用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量hν恰好为两相邻核能级之差ΔE，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振的频率条件是:hν=γhB=γhB/2π或ω=2πν=γB式中ν为频率，ω为圆频率。对于确定的核,旋磁比γ可被精确地测定。可见,通过测定核磁共振时辐射场的频率ν，就能确定磁感应强度;反之，若已知磁感应强度,即可确定核的共振频率。三、核磁共振技术的应用核磁共振可分为：固体核磁共振，液体核磁共振和核磁共振成像。其中固体核磁共振应用的范围：不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属以及非金属材料。固相核磁（除固体物理用固体核磁外）使用普及率不高。液体核磁共振应用范围（目前是主要的）：有机化合物，天然产物，生物大分子。溶液高分辨核磁共振在化学中主要应用：1．基本化学结构的确定、立体构型和构象的确定；2．化学反应机理研究、化学反应速度测定；3．化学、物理变化过程的跟踪；4．化学平衡的研究及平衡常数的测定；5．溶液中分子的相互作用及分子运动的研究（氢键相互作用、分子链的缠结、胶束的结构等）；6．混合物的快速成分分析（LC-NMR,DOSY)。液体核磁共振在生物大分子溶液中的主要应用主要有以下几个方面：1．测定生物大分子在溶液中的三维结构：是目前为止唯一能够准确测定生物大分子在溶液中的三维结构的方法；2．蛋白质与核酸的相互作用：分子生物学、分子遗传学、基因调控、药物设计等领域中都要涉及的重大问题；3．蛋白质卷曲和折叠研究：研究卷曲和折叠的动力学过程；4．药物设计：研究激素-受体复合物；酶与底物的复合物；功能蛋白与靶分子复合物，特别是关于结合点的结构信息。核磁共振成像技术主要是临床诊断的成像、研究动植物形态的微成像、功能成像和分子成像。核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数，如谱线宽度,谱线轮廓形状，谱线面积，谱线位置等的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构，是一种完全无损的检测方法。同时，它具有非常高的分辨本领和精确度，而且可以用于测量的核也比较多，所有这些都优于其它测量方法。因此，核磁共振技术在材料科学，化学，医疗，石油化工，考古等方面获得了广泛的应用。在化学领域，核磁共振在化学分析中正发挥越来越大的作用，它不仅是一种研究手段，也是常规分析中不可缺少的一种手段。用它可以对样品进行定性和定量的分析，确定反应过程及反应机理。用它还可以研究各种化学键的性质，研究溶液中的动态平衡，测量液体的粘度，确定各种物质在生产过程中的一些其它性质和控制生产流程等。核磁共振成像在医疗方面显示出强大的生命力，已成为医学诊断中一种重要手段。它可以对人体脊髓，脑，肝，肺等各个器官直接成像，勿需借助造影剂，并有较理想的清晰度，可以观测出血流量，显示心脏活动。它不仅能显示形态，还能提供有关功能的生化信息，从而大大地提高了诊断的准确性，有利于对突发性心肌梗塞和肝瘤等疾病的早期诊治。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。在石油化工领域，随着重质油加工、新能源开发和绿色化工对催化剂的要求越来越高，用新仪器和新方法研究催化材料的结构、性质和催化机理的需求也越来越迫切。核磁共振波谱法是一种强有力的结构分析手段，液体样品中的原子核能够自由翻滚，相互作用被平均，容易得到高分辨NMR谱图，进而对样品做定性和定量分析。四、核磁共振技术的展望NMR波谱技术今后最富有前景的应用领域有以下几个方面：1．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。2.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。3.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。4.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。5．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。随着科学技术的不断发展，相信NMR技术会得要越来越广泛的应用。参考文献：[1]裘祖义裴奉奎《核磁共振谱》科学出版社1989[2]胡红雨鲁子贤《核磁共振法研究蛋白质和多肽的结构和功能》[3]陈朝环邓道利钱长涛《顺磁性镧系金属有机配合物的1H核磁共振研究》[4]方润许乾慰《核磁共振（NMR）测试技术进展及应用》[5]王为民张盛宗《核磁共振成像技术在石油勘探开发中的应用》[6]宁永成《核磁共振基础简论》[7]宁永成《有关化合物结构鉴定与有机波普学》[8]于小波沈文斌相秉仁《定量核磁共振技术及其在药学领域中的应用发展》[9]唐晓英刘志文刘伟峰吴祈耀《核磁共振成像技术及设备发展策略》[10]彭朴《固体核磁共振波普在石油化工多相催化研究中的应用进展》[11]林君《核磁共振找水技术的研究现状与发展趋势》核磁共振技术的发展及展望班级：15040142学号：1504014203姓名：张硕