核磁共振及其發(fā)展

1、核磁共振及其發(fā)展作者：相關(guān)鏈接：摘要1946年，哈佛大學(xué)珀賽爾(E.M.Purcell)用吸收發(fā)首次觀測(cè)到石蠟中質(zhì)子的核磁共振（NMR），幾乎同時(shí)美國斯坦福大學(xué)布洛赫(F.Block)用感應(yīng)法發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的核磁共振現(xiàn)象。為此，他們分享拉1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。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(diǎn)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。早期的核磁共振主要采取連續(xù)波技術(shù)，靈敏度較低，研究的對(duì)象是自然豐度高，旋磁比較大的原子核，這就限制拉核磁共振的應(yīng)用范圍

2、。1966年發(fā)展起來的脈沖傅立葉變換核磁共振技術(shù)，使信號(hào)采集由頻域變?yōu)闀r(shí)域，大大提高拉檢測(cè)靈敏度，使研究底自然豐度的核成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)這種方法可以利用不同的脈沖組合來得到所需要的分子信息。1971年，琴納（E。JEENER）提出拉具有兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間變量的二維核磁共振概念。隨后，1971年，恩斯特（R。ERNST）等首次成功實(shí)現(xiàn)拉二維核磁共振實(shí)驗(yàn)，從此核磁共振技術(shù)進(jìn)入拉一個(gè)新時(shí)代。關(guān)鍵詞核磁共振，核自旋，核磁距引言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(diǎn)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，

3、在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。本實(shí)驗(yàn)的目的是觀察核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收現(xiàn)象，掌握核磁共振的實(shí)驗(yàn)基本原理和方法。正文n 磁共振的基本原理l 核自旋原子核具有自旋，其自旋角動(dòng)量為：(1)其中I是核自旋量子數(shù)，其值為半整數(shù)或整數(shù)，當(dāng)質(zhì)子數(shù)和質(zhì)量數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，I=0，當(dāng)質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)而質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)時(shí)，I=0，1，2，當(dāng)質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)時(shí)，I=n/2（n=1，3，5）。l 核磁距原子核帶有電荷，因而具有自旋磁距，其大小為：(2)(3)式中g(shù)為核的朗德因子，對(duì)質(zhì)子，g=5.586，為原子核質(zhì)量，為核磁子，令(4)顯然有(5)稱為核的磁旋比。l 核磁距在外磁場(chǎng)中的能量核自旋磁距在外磁場(chǎng)中會(huì)進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的角頻率：(6)為外

4、恒定磁場(chǎng)。核自旋在角動(dòng)量的空間趨取向是量子化的。設(shè)z軸沿方向，在z方向分量只能取(7)(8)則核磁距所具有的勢(shì)能為(9)對(duì)于氫核，I=1/2，m=1/2,E=1/2(10)正比于，由于約等于電子質(zhì)量的1/1840，故在同樣的外磁場(chǎng)中，核磁能級(jí)裂距約為電子自旋能級(jí)裂距的1/1840，這表明核磁共振信號(hào)比電子自旋共振信號(hào)弱的多，觀測(cè)起來更困難。l 核磁共振實(shí)現(xiàn)核磁共振，必須有一個(gè)恒定的外磁場(chǎng)及一個(gè)與和總磁距m所組成的平面相垂直的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)?shù)慕穷l率等于時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的能量為，則核吸收此旋轉(zhuǎn)的能量，實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的躍遷，即發(fā)生核磁共振，此時(shí)應(yīng)滿足 (11) (12) (13)為普朗克常數(shù)。n 研究核磁共振

5、的方法研究核磁共振的基本方法有兩種：一是連續(xù)波或稱穩(wěn)態(tài)方法，是用連續(xù)的射頻場(chǎng)作用到核系統(tǒng)上，觀察到核對(duì)頻率的的響應(yīng)信號(hào)。另一種是用脈沖法，用射頻脈沖作用到核系統(tǒng)上，觀察到核對(duì)時(shí)間的響應(yīng)信號(hào)。脈沖法有較高的靈敏度，測(cè)量速度快，但需要進(jìn)行快速傅立葉變換，技術(shù)要求比較高，以觀察信號(hào)區(qū)分，可分觀察色散信號(hào)或信號(hào)，但一般觀察吸收信號(hào)，因?yàn)楸容^容易分析理解，從信號(hào)的檢測(cè)來分，可分為感應(yīng)法，平衡法和吸收法。測(cè)量共振時(shí)，核磁距吸收射頻場(chǎng)能量而在附近線圈中感應(yīng)到的信號(hào)，稱為感應(yīng)法；測(cè)量由于共振使電橋失去平衡而輸出的電壓即為平衡法；直接測(cè)量由于共振信使射頻震蕩線圈中負(fù)載發(fā)生變化的方法稱為吸收法，本實(shí)驗(yàn)主要采用連續(xù)

6、波吸收法來觀察核磁共振現(xiàn)象。先列舉些其他重要方法。l 吸收法優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，樣品不易飽和，缺點(diǎn)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(cè)場(chǎng)儀。l 平衡法優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定好，噪音低，缺點(diǎn)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。l 傅里葉(Fourier)變換可以看出轉(zhuǎn)換比較麻煩，技術(shù)含量較高。傅立葉變化是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，單次脈沖方式與連續(xù)波方式的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比近似相同，但速度較快。脈沖核磁共振譜可以通過施加一系列的脈沖，累加多次重復(fù)FID信號(hào)，再進(jìn)行傅立葉變換，以提高信噪比。由于脈沖法的特點(diǎn)，它可以檢測(cè)瞬時(shí)或長(zhǎng)壽命的核，可以有選擇性地增強(qiáng)靈敏度。n 核磁共振

7、新技術(shù)l 二維核磁共振及多維核磁和共振二維核磁共振的脈沖序列：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。二維譜示意圖：2D在研究更大分子體系時(shí)，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。n 核磁共振的應(yīng)用作為測(cè)定原子的核磁距和研究核結(jié)構(gòu)的直接而又準(zhǔn)確的方法，核磁共振是物理學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)的研究中的一種重要而強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段，也是許多應(yīng)用科學(xué)，如醫(yī)學(xué)，遺傳學(xué)，計(jì)量科學(xué)，石油分析等學(xué)科的重要研究工具。以下是核磁共振的一些基本應(yīng)用：l 子結(jié)構(gòu)的測(cè)定l 化學(xué)位移各向異性的研究l 金屬離子同位

8、素的應(yīng)用l 動(dòng)力學(xué)核磁研究l 質(zhì)子密度成像l T1T2成像l 化學(xué)位移成像l 其它核的成像l 指定部位的高分辨成像l 元素的定量分析l 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析l 表面化學(xué)l 有機(jī)化合物中異構(gòu)體的區(qū)分和確定l 大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析l 生物膜和脂質(zhì)的多形性研究l 壓力作用下血紅蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化l 生物體中水的研究l 生命組織研究中的應(yīng)用可以看出核磁共振在我們的當(dāng)代生活中的作用越來越大，但是，在中國，其應(yīng)用主要在基礎(chǔ)研究方面，企業(yè)和商業(yè)應(yīng)用普及率不高，作為新世紀(jì)的接班人，我們更應(yīng)該為拉核磁共振的應(yīng)用做出更大的努力，使其為人類服務(wù)。由于核磁共振的重要性，從核磁共振的發(fā)現(xiàn)到如今，共有12位因?qū)舜殴舱褡龀鲋匾暙I(xiàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家：1944年 I.Rabi,1952年 F.Block,1952年 E.M.Purcell,1955年 W.E.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.Ram