核磁共振技術(shù)及其應(yīng)用

1、核磁共振技術(shù)及其應(yīng)用核磁共振技術(shù)及其應(yīng)用概 述 核磁共振的方法與技術(shù)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(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ，已經(jīng)從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)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(xué)布洛赫(F.Block)和哈佛大學(xué)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(xué)獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學(xué)科。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼鼐S特里希則發(fā)明了“利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)法”。這種方法的優(yōu)點是可對溶液中的蛋

2、白質(zhì)進(jìn)行分析,進(jìn)而可對活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析,能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),其意義非常重大。這種方法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象,然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位,據(jù)此就可以推知房屋的結(jié)構(gòu)。維特里希選擇生物大分子中的質(zhì)子(氫原子核) 作為測量對象,連續(xù)測定所有相鄰的2個質(zhì)子之間的距離和方位,這些數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。核磁共振基本原理核磁共振基本原理 核磁共振原理核磁共振原理 實現(xiàn)實現(xiàn)核核磁共振的兩種方法磁共振的兩種方法 檢測共振信號的方法檢測共振信號的方法 傅里葉傅里葉(Fourier)(Fourier)變換變換核磁共振原理

3、核磁共振原理 半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一小磁場。當(dāng)加一外磁場，這些原子核的能級將分裂，既塞曼效應(yīng)。 在外磁場B B0中塞曼分裂圖：共振條件： = 0 = 0 實現(xiàn)實現(xiàn)核核磁共振的兩種方法磁共振的兩種方法a掃場法: 改變0b掃頻法: 改變檢測共振信號的方法檢測共振信號的方法 吸收法 感應(yīng)法 平衡法 優(yōu)點是比較簡單，樣品不易飽和，缺點是振蕩頻率的穩(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 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 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?qū)?。常用于靈敏度和分辨力高的波譜儀傅里葉傅里葉(Fourier)變換變

4、換 時域信號 F變換 頻域信號 頻域譜S（t1,t2,） S(1, 2,) 核磁共振新技術(shù)核磁共振新技術(shù) 核磁雙共振核磁雙共振 二維核磁共振二維核磁共振 NMR成像技術(shù)成像技術(shù) 魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù) 極化轉(zhuǎn)移技術(shù)極化轉(zhuǎn)移技術(shù)核磁雙共振核磁雙共振雙核自旋系統(tǒng)檢測器2擾動1脈沖 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(qiáng)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(qiáng)度、形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，從而確定各條譜線之間的關(guān)系，區(qū)分相互重疊的譜線。 二維核磁共振

5、二維核磁共振及多維核磁共振及多維核磁共振 二維核磁共振使NMR技術(shù)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。F(t2)F(t1)t2t112 2D 在研究更大分子體系時，譜線也出現(xiàn)了嚴(yán)重的重疊，為了解決這一問題，人們將 2D 推廣到 3D 甚至多維。 二維譜示意圖二維核磁共振的脈沖序列 預(yù)備期 發(fā)展期 混合期 探測期 S(t1,t2) S(t1,2) S(1,2) NMR成像技術(shù)成像技術(shù) 投影重建成像方法 Fourier成像方法 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FourierFourie

6、r成像方法成像方法Fourier成像是應(yīng)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 預(yù)備期 發(fā)展期 混合期 探測期 S(t1,t2) S(t1,2) S(1,2)F(t2)F(t1)t2t1S(,)= 0+GXX)2 = 0+Gyy)GXXGyy魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù) 在固體中自旋之間的耦合較強(qiáng)，共振譜較寬，掩蓋了其他精細(xì)的譜線結(jié)構(gòu)，耦合能大小與核的相對位置在磁場中的取向有關(guān)，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(dá)到了窄化譜線的目的。魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)就是通過樣品的旋轉(zhuǎn)來達(dá)到減小相互作用的，當(dāng)樣品高速旋轉(zhuǎn)

7、時與的差別就會平均掉。極化轉(zhuǎn)移技術(shù)極化轉(zhuǎn)移技術(shù)靈敏核 非靈敏核檢測（非靈敏核）J脈沖序列1脈沖序列2 極化轉(zhuǎn)移(PT)是一種非常實技術(shù)，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(qiáng)度的轉(zhuǎn)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(qiáng)度。核磁共振應(yīng)用核磁共振應(yīng)用最初,核磁共振技術(shù)主要用于核物理研究方面,用它測量各種原子核的磁矩,誤差僅是0. 003 %0. 005 %; 迄今,它已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,已成為在這些領(lǐng)域開展研究工作的有力工具,甚至是某些領(lǐng)域(如:化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、藥物學(xué)等)

8、 常規(guī)分析中不可缺少的手段。1985 年,維特里希等人公布了第一次利用NMR 法測定的溶液中蛋白質(zhì)蛋白酶抑制劑IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的結(jié)構(gòu)(如圖 所示) 。1990 年用NMR 測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有23 個,而到1994 年一年測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)上升到100個。1997 年,維特里希應(yīng)用NMR 方法測定的一種蛋白質(zhì)蛋白感染素(prion protein) 的結(jié)構(gòu) 在水溶液中,大約有一半的蛋白質(zhì)鏈呈現(xiàn)出規(guī)則、緊密的 三維結(jié)構(gòu) ,而另一半則非常松 。目前,科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出15 %20 %的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。一些實際的應(yīng)用分子結(jié)構(gòu)的測定化學(xué)位移各向異性的研究金屬離子同位素的應(yīng)用動力學(xué)核磁研究質(zhì)子密度成像T1T2成像化學(xué)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(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析表面化學(xué)有機(jī)化合物中異構(gòu)體的區(qū)分和確定大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析生物膜和脂質(zhì)的多形性