核磁共振的原理及其应用发展

核磁共振的原理及其应用发展 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. 关键词：核磁共振；NMR谱仪 引言 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。最早于1946年由哈佛大学的伯塞尔(E. M. Purcell)和斯坦福大学的布洛赫(F. Bloch)等人用实验所证实[1]。两人由此共同分享了1952年诺贝尔物理学奖[2]。核磁共振技术可以提供分子的化学结构和分子动力学的信息，已成为分子结构解析以及物质理化性质表征的常规技术手段[3]，在物理、化学、生物、医药、食品等领域得到广泛应用，在化学中更是常规分析不可少的手段。从70年代开始，在磁共振频谱学和计算机断层技术等基础上，又发展起一项崭新的医学诊断技术，即核磁共振成像技术，并在医学临床上获得巨大成功。本文主要介绍了核磁共振技术及其在化学领域的应用进展。 1.核磁共振原理 泡利(W.Pauli)在1924年首先提出原子核具有磁矩，并认为核磁矩与其本身的自旋运动相联系，用此理论成功地解释了原子光谱的超精细结构[4]。 核磁矩μ与核自旋角动量L之间的关系为： 式中是质子质量，e为单位电荷，g称为朗德因子(Landefactor)，对于不同的核它有不同的值，它反映核内部自旋和磁矩的实验关系。实验工作中，常常用磁旋比(Magnetogyric-ratio)γ这个物理量表示核磁矩与核自旋的关系，其定义为： γ随核的结构 不同而不同，对于氢核，即质子，核磁矩比电子的自旋磁矩小得多，一般要小三个数量级。 在外磁场中，原子核的自旋角动量是空间量子化的以外磁场B的方向为Z轴的正向， 则核自旋角动量的空间量子化表示为 式中M是核自旋量子数，对于具有自旋量子数为I的核，M的取值为-I，-I+1，……，I，共有2I+1个值.对于不同的核，I可能为整数或半整数或零。 核自旋的空间取向，由(1)式[5] 由(4)和(5)式可得g因子与磁旋比γ的关系为 可见，g因子也是一种磁旋比。 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(HR—200型， 200MHZ，场强4·74T)。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。 2.1　二维核磁共振技术 1971年， Jeener首先提出了二维核磁概念。80年代， Ernst小组详细分析了二维实验，全面系统论述了二维核磁共振原理。后经Ernst和Free-man等小组的卓越工作，使二维核磁共振成为常规实验。因此， Ernst获得了诺贝尔化学奖。 现在，二维核磁共振技术已被广泛应用于复杂生物大分子的研究，尤其对于那些分子量不太大的物质(M小于10kd)，高分辨核磁技术给出的结构，可与X射线衍射相媲美。 随着核磁共振仪兆数的提高，分辨率的增加，以及标记技术的发展，大分子量的蛋白结构也能用核磁共振技术确定。新兴起的三维核磁共振(3DNMR)技术也开始应用于生物分子的研究，有人用13C， 15N， 2H标记的三维核磁共振研究了分子量小于40kd的蛋白质。美中不足的是，三维核磁共振实验需时长，且蛋白质标记过程复杂，一定程度上限制了三维核磁共振技术的广泛应用。 2.2　固体高分辨核磁共振 普通核磁共振波谱仪所测样品多为液体，物质在固态时的许多性质在液态时是无法观察到的，例如极性分子的直接偶极相互作用在液态时被平均为零，但在固态时可通过这种相互作用研究分子的排列取向，化学位移及电四极矩的各向异性特性，核与电子自旋的各向异性耦合等也都只有在固态时才能进行研究。 利用固体核磁共振技术研究高分子化合物可以表征材料的分子结构进而监视反应的进度[6]。另外，在矿物分析、表面吸附和表面化学反应方面具有独到的优势。 2.3　核磁共振图像 将某一核磁共振波谱参数的空间分布以图像形式表示出的方法就是核磁共振图像，核磁共振图像的思想是上世纪70年代初提出来的，是一种无损测量技术，运用该技术使得人类对自身的结构和生理活动的认识有了长足的提高。现已有了商品化的大型人体核磁共振成像仪，作为重要的影像诊断工具在世界各地的医院中获得广泛应用。 2.4核磁共振联用技术 联用技术很多，比如GC—MS， GC—IR等，核磁共振具有MS， IR特有的优势，能很方便的提供不同分子结构上的细微差别，包括同分异构化合物和立体异构化合物。但是，核磁共振要求分析样品是纯物质，对于混合物进行分析得到的结构往往很困难，在很窄的化学位移里面要区分不同物质的信号在很多情况下是不可能的。因此在使用核磁共振检测前，需要对混合样品进行分离纯化前处理。因而可将色谱的高效分离能力与核磁共振的结构鉴定能力结合起来。已经与核磁共振联用的分离手段有:高效液相色谱-核磁共振联用(HPLC-NMR)、超临界流体色谱-核磁共振联用(SFC-NMR)、超临界流体萃取-核磁共振联用 (SFE-NMR)、毛细管电泳-核磁共振联用(CE-NMR)[7]。其中高效液相色谱(HPLC)在复杂样品中的分离已得到广泛应用，通过调整色谱条件可用于分离不同的样品。将核磁共振仪与之联用在各种样品的分析检测中得到了很好的应用，在药物检测、天然产物检测等中的应用均有文献报道[8]。 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[9~12]、地质学[13~16]、医疗保健[9~12]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。 3.1　核磁共振在分子结构测定中的应用 利用H、C、P等核磁共振谱确定有机化合物分子结构和变化，原子的空间位置和相互间的关联。核磁共振技术发展得最成熟、应用最广泛的是氢核共振，可以提供化合物中氢原子化学位移，氢原子的相对数目等有关信息，为确定有机分子结构提供依据。迄今，利用高分辨核磁共振谱仪已测定了上万种有机化合物的核磁共振谱图，许多实验室都出版谱图集。分析一个化合物的结构时，一般仅需做个氢谱、碳谱、极化转移谱，更多时候除了一维谱还需要做一系列二维谱:氢-氢化学位移相关谱、碳-氢化学位移相关谱、远程化学位移相关谱或做氢检测的异核多键相关谱、氢检测的异核多量子相关谱等。对于简单分子的结构，根据以上谱图解析就能确定，对于全然未知物的结构，还需结合其它的一些数据，如:质谱、红外、元素分析等。 利用核磁共振方法也可解决某些属于分子结构和晶体结构的问题，有可能研究固体中分子运动的性质，研究结构相变（例如铁电体的结构相变），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精细场等 如氢核的核磁共振图像： 3.1.1观察水中H核的共振信号 1%浓度的CuSO4 中H核的共振：如图1—3（a) 所示。 1%浓度的FeCl3中H核的共振：如图1—3（b）所示。 图1—3（a)  1%浓度的CuSO4 中H核的共振 如图1—3（b）1%浓度的FeCl3中H核的共振 3.1.2测量H核的g因子、旋磁比 、核磁矩 分别做了两组，由附表数据及公式：逥旋频率= /B [2]  B1=0.49689T B2=0.49714T 表1—1  不同试剂测量的H核的g因子、旋磁比和核磁矩 试剂类别 共振频率 /(MHz) 振荡幅度/V g因子 旋 磁 比 / (Hz·T-1) 核 磁 矩 /(J·T-1) 硫酸铜 21.1562 150 5.5856 2.6752×108 1.4106×10-24 三氯化铁 21.1562 150 5.5856 2.6752×108 1.4106×10-24 氯化锰 21.1560 150 5.5856 2.6752×108 1.4106×10-24 丙三醇 21.1556 150 5.5856 2.6751×108 1.4105×10-2 纯水 21.1558 150 5.5856 2.6751×108 1.4105×10-24             表1—2 不同试剂测量的H核的g因子、旋磁比和核磁矩 试剂类别 共振频率/(MHz) 振荡幅度/V g因子 旋磁比 /(Hz·T-1) 核磁矩 /(J·T-1) 硫酸铜 21.1668 151 5.5856 2.6752×108 1.4106×10-24 三氯化铁 21.1652 148 5.5852 2.6750×108 1.4105×10-24 氯化锰 21.1652 149 5.5851 2.6749×108 1.4104×10-24 丙三醇 21.1641 149 5.5850 2.6749×108 1.4104×10-24 纯水 21.1640 65 5.5849 2.6748×108 1.4104×10-24             3.1.3观察H核的饱和现象 饱和现象是指共振信号的幅度达最大的过程。