核磁共振的方法與技術作為分析物質(zhì)的手段

1、概 述核磁共振的方法與技術作為分析物質(zhì)的手段，由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有迅速、準確、分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應用，已經(jīng)從物理學滲透到化學、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。核磁共振是1946年由美國斯坦福大學布洛赫(F.Block)和哈佛大學珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨立發(fā)現(xiàn)的，兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學科。12位因對核磁共振的杰出貢獻而獲得諾貝爾獎科學家：= 1944年 I.Rabi= 1952年 F.Block= 1952年 E.M.Purcell= 1955年 W.E

2、.Lamb= 1955年 P.Kusch= 1964年 C.H.Townes= 1966年 A.Kastler= 1977年 J.H.Van Vleck= 1981年 N.Bloembergen= 1983年 H.Taube= 1989年 N.F.Ramsey= 1991年 R.R.Ernst核磁共振基本原理n 核磁共振原理半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉時產(chǎn)生一小磁場。當加一外磁場，這些原子核的能級將分裂，既塞曼效應。在外磁場B0中塞曼分裂圖：共振條件： 實現(xiàn)核磁共振的兩種方法= 掃場法: 改變B0= 掃頻法: 改變wn 檢測共振信號的方法= 吸收法優(yōu)點是比較簡單，樣品不易飽和，缺點是振蕩頻率

3、的穩(wěn)定性較差，噪音電平較高。一般只用于寬譜的波譜儀與測場儀= 感應法優(yōu)點是工作穩(wěn)定度高，噪音低，但漏電流相位不易調(diào)整。常用在商業(yè)波譜儀= 平衡法優(yōu)點是頻率穩(wěn)定好，噪音低，缺點是頻率調(diào)諧范圍不夠寬。常用于靈敏度和分辨力高的波譜儀n 傅里葉(Fourier)變換核磁共振新技術n 核磁雙共振雙共振是同時用兩種頻率的射頻場作用在兩種核組成的系統(tǒng)上，第一射頻場B1使某種核共振，第二射頻場B2使另外一種核共振，這樣兩個原子核同時發(fā)生共振。第二射頻場為干擾場，通常用一個強射頻場干擾圖譜中某條譜線，另一個射頻場觀察其他譜線的強度、形狀和精細結構的變化，從而確定各條譜線之間的關系，區(qū)分相互重疊的譜線。n 二維核

4、磁共振及多維核磁共振二維核磁共振的脈沖序列二維核磁共振使NMR技術產(chǎn)生了一次革命性的變化，它將擠在一維譜中的譜線在二維空間展開（二維譜）,從而較清晰地提供了更多的信息。二維譜示意圖2D在研究更大分子體系時，譜線也出現(xiàn)了嚴重的重疊，為了解決這一問題，人們將2D推廣到3D甚至多維。n NMR成像技術= 投影重建成像方法= Fourier成像方法Fourier成像是應用十分廣泛的一種方法，它與二維（多維）NMR相似。核磁共振的脈沖序列= 弛豫時間成像方法= 逐點掃描方法= 線掃描方法= 切片掃描方法= 高分率成像和快速成像法n 魔角旋轉技術在固體中自旋之間的耦合較強，共振譜較寬，掩蓋了其他精細的譜線

5、結構，耦合能大小與核的相對位置在磁場中的取向有關，其因子是(3cos2-1)，如果有一種方法使=54.440（魔角），則3cos-1=0，相互作用減小，達到了窄化譜線的目的。魔角旋轉技術就是通過樣品的旋轉來達到減小相互作用的，當樣品高速旋轉時與的差別就會平均掉。n 極化轉移技術極化轉移(PT)是一種非常實技術，它用二種特殊的脈沖序列分別作用于非靈敏核和靈敏核兩種不同的自旋體系上。通過兩體系間極化強度的轉移，從而提高非靈敏核的觀測靈敏度，基本的技巧是從高靈敏度的富核處“借”到了極化強度。核磁共振應用核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過

6、去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實驗方法被放棄，新的實驗方法迅速發(fā)展，它們將分子結構和分子間的關系表現(xiàn)得更加清晰。在世界的許多大學、研究機構和企業(yè)集團，都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門用途日益廣泛。在中國，其應用主要在基礎研究方面，企業(yè)和商業(yè)應用普及率不高，主要原因是產(chǎn)品開發(fā)不夠、使用成本較高。但在石油化工、醫(yī)療診斷方法應用較多。n 一些實際的應用= 分子結構的測定= 化學位移各向異性的研究= 金屬離子同位素的應用= 動力學核磁研究= 質(zhì)子密度成像= T1T2成像= 化學位移成像= 其它核的成像= 指定部位的高分辨成像= 元素的定量分析= 有機化合物的結構解析= 表面化學= 有機化合物中異構體的區(qū)分和確定= 大分子化學結構的分析= 生物膜和脂質(zhì)的多形性研究= 脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動態(tài)結構= 生物膜蛋白質(zhì)脂質(zhì)的互相作用= 壓力作用下血