核磁共振的原理及其應(yīng)用發(fā)展(新)

1、放棄很簡(jiǎn)單，但你堅(jiān)持到底的樣子一定很酷！ 核磁共振的原理及其應(yīng)用發(fā)展摘要:核磁共振是能夠深入到物質(zhì)內(nèi)部而不破壞被測(cè)量對(duì)象的一種分析物質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)代技術(shù)，它通過利用原子核在磁場(chǎng)中的能量變化來獲得關(guān)于原子核的信息，具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在科研和生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了核磁共振技術(shù)的基本原理，以及核磁共振在化學(xué)化工、生物化學(xué)、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用，并指出核磁共振波譜技術(shù)將成為21世紀(jì)一個(gè)異常廣闊的譜學(xué)研究領(lǐng)域.關(guān)鍵詞：核磁共振；NMR譜儀引言核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)波譜學(xué)是一門發(fā)展非常迅速的科學(xué)。核磁共振是根據(jù)有磁的原子核，在磁場(chǎng)的作

2、用下會(huì)引起能級(jí)分裂，若有相應(yīng)的射頻磁場(chǎng)作用時(shí)，在核能級(jí)之間將引起共振躍遷，從而得到化學(xué)結(jié)構(gòu)信息的一門新技術(shù)。最早于1946年由哈佛大學(xué)的伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch)等人用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。兩人由此共同分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2。核磁共振技術(shù)可以提供分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)的信息，已成為分子結(jié)構(gòu)解析以及物質(zhì)理化性質(zhì)表征的常規(guī)技術(shù)手段3，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在化學(xué)中更是常規(guī)分析不可少的手段。從70年代開始，在磁共振頻譜學(xué)和計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)等基礎(chǔ)上，又發(fā)展起一項(xiàng)嶄新的醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，即核磁共振成像技術(shù)，并在醫(yī)學(xué)臨床上獲得巨大成功。

3、本文主要介紹了核磁共振技術(shù)及其在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。核磁共振原理泡利(W.Pauli)在1924年首先提出原子核具有磁矩，并認(rèn)為核磁矩與其本身的自旋運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，用此理論成功地解釋了原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)4。核磁矩“與核自旋角動(dòng)量L之間的關(guān)系為：式中是質(zhì)子質(zhì)量，e為單位電荷，g稱為朗德因子(Landefactor)，對(duì)于不同的核它有不同的值，它反映核內(nèi)部自旋和磁矩的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)工作中，常常用磁旋比(Magnetogyric-ratio)Y這個(gè)物理量表示核磁矩與核自旋的關(guān)系，其定義為：趙=孑Y隨核的結(jié)構(gòu)不同而不同，對(duì)于氫核，即質(zhì)子，核磁矩比電子的自旋磁矩小得多，一般要小三個(gè)數(shù)量級(jí)。在外磁場(chǎng)中，原子

4、核的自旋角動(dòng)量是空間量子化的以外磁場(chǎng)B的方向?yàn)閆軸的正向，則核自旋角動(dòng)量的空間量子化表示為式中M是核自旋量子數(shù)，對(duì)于具有自旋量子數(shù)為I的核，M的取值為-I,-1+1,，I，共有2I+1個(gè)值.對(duì)于不同的核，I可能為整數(shù)或半整數(shù)或零。核自旋的空間取向，由(1)式5TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 尸=汨Lz=皿(式中產(chǎn)顱=5.05際1嚴(yán)廠1,稱為核磁子，常用它作為核磁矩的單位。由式 HYPERLINK l bookmark8 我廠yL；二y由和式可得g因子與磁旋比Y的關(guān)系為yhS=A可見，g因子也是一種磁旋比。核磁共振技術(shù)的發(fā)展1930年代，物理學(xué)家伊西多-拉

5、比發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。1946年兩位美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子(包括質(zhì)子和中子)的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。1964年后，核磁共振譜儀經(jīng)歷兩次重大的技術(shù)革命，其一是磁場(chǎng)超導(dǎo)化;其二是脈沖傅立葉變換技術(shù)。從根本上提高了核磁共振波譜儀的靈敏度，同時(shí)譜儀的結(jié)構(gòu)也有了很大的變化。1964年美國(guó)Varian公司研制出世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁場(chǎng)的核磁共振譜儀（HR200型，20

6、0MHZ,場(chǎng)強(qiáng)474T）。2004年布魯克Biospin公司推出了全球第一款用于核磁共振領(lǐng)域的900MHz主動(dòng)屏蔽式超導(dǎo)核磁共振磁體產(chǎn)品一900US2TMmagnet，是當(dāng)時(shí)最高場(chǎng)強(qiáng)的主動(dòng)屏蔽式磁體產(chǎn)品。2002年北京大學(xué)安裝成功的由世界最大的波譜磁體生產(chǎn)廠家布魯克公司提供的中國(guó)首臺(tái)800MHz核磁共振儀填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高場(chǎng)譜儀的空白，也使北大成為世界上具有重要影響的超高場(chǎng)新用戶。二維核磁共振技術(shù)1971年，Jeener首先提出了二維核磁概念。80年代，Ernst小組詳細(xì)分析了二維實(shí)驗(yàn)，全面系統(tǒng)論述了二維核磁共振原理。后經(jīng)Ernst和Free-man等小組的卓越工作，使二維核磁共振成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)。因

7、此，Ernst獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，二維核磁共振技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜生物大分子的研究，尤其對(duì)于那些分子量不太大的物質(zhì)（M小于10kd），高分辨核磁技術(shù)給出的結(jié)構(gòu)，可與X射線衍射相媲美。隨著核磁共振儀兆數(shù)的提高，分辨率的增加，以及標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，大分子量的蛋白結(jié)構(gòu)也能用核磁共振技術(shù)確定。新興起的三維核磁共振（3DNMR）技術(shù)也開始應(yīng)用于生物分子的研究，有人用13C，15N，2H標(biāo)記的三維核磁共振研究了分子量小于40kd的蛋白質(zhì)。美中不足的是，三維核磁共振實(shí)驗(yàn)需時(shí)長(zhǎng)，且蛋白質(zhì)標(biāo)記過程復(fù)雜，一定程度上限制了三維核磁共振技術(shù)的廣泛應(yīng)用。固體高分辨核磁共振普通核磁共振波譜儀所測(cè)樣品多為液體，物質(zhì)在

8、固態(tài)時(shí)的許多性質(zhì)在液態(tài)時(shí)是無法觀察到的，例如極性分子的直接偶極相互作用在液態(tài)時(shí)被平均為零，但在固態(tài)時(shí)可通過這種相互作用研究分子的排列取向，化學(xué)位移及電四極矩的各向異性特性，核與電子自旋的各向異性耦合等也都只有在固態(tài)時(shí)才能進(jìn)行研究。利用固體核磁共振技術(shù)研究高分子化合物可以表征材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)而監(jiān)視反應(yīng)的進(jìn)度6。另外，在礦物分析、表面吸附和表面化學(xué)反應(yīng)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。2.3核磁共振圖像將某一核磁共振波譜參數(shù)的空間分布以圖像形式表示出的方法就是核磁共振圖像，核磁共振圖像的思想是上世紀(jì)70年代初提出來的，是一種無損測(cè)量技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)使得人類對(duì)自身的結(jié)構(gòu)和生理活動(dòng)的認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足的提高?，F(xiàn)已有了商品

9、化的大型人體核磁共振成像儀，作為重要的影像診斷工具在世界各地的醫(yī)院中獲得廣泛應(yīng)用。2.4核磁共振聯(lián)用技術(shù)聯(lián)用技術(shù)很多，比如GCMS,GCIR等，核磁共振具有MS,IR特有的優(yōu)勢(shì)，能很方便的提供不同分子結(jié)構(gòu)上的細(xì)微差別，包括同分異構(gòu)化合物和立體異構(gòu)化合物。但是，核磁共振要求分析樣品是純物質(zhì)，對(duì)于混合物進(jìn)行分析得到的結(jié)構(gòu)往往很困難，在很窄的化學(xué)位移里面要區(qū)分不同物質(zhì)的信號(hào)在很多情況下是不可能的。因此在使用核磁共振檢測(cè)前，需要對(duì)混合樣品進(jìn)行分離純化前處理。因而可將色譜的高效分離能力與核磁共振的結(jié)構(gòu)鑒定能力結(jié)合起來。已經(jīng)與核磁共振聯(lián)用的分離手段有:高效液相色譜-核磁共振聯(lián)用(HPLC-NMR)、超臨界

10、流體色譜-核磁共振聯(lián)用(SFC-NMR)、超臨界流體萃取-核磁共振聯(lián)用(SFE-NMR)、毛細(xì)管電泳-核磁共振聯(lián)用(CE-NMR)。其中高效液相色譜(HPLC)在復(fù)雜樣品中的分離已得到廣泛應(yīng)用，通過調(diào)整色譜條件可用于分離不同的樣品。將核磁共振儀與之聯(lián)用在各種樣品的分析檢測(cè)中得到了很好的應(yīng)用，在藥物檢測(cè)、天然產(chǎn)物檢測(cè)等中的應(yīng)用均有文獻(xiàn)報(bào)道8。核磁共振的應(yīng)用核磁共振技術(shù)能夠在不破壞物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下迅速、準(zhǔn)確地分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因而在科研和生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，從最初的物理學(xué)研究領(lǐng)域很快滲透到包括化學(xué)、生物學(xué)912、地質(zhì)學(xué)1316、醫(yī)療保健912在內(nèi)的各種學(xué)科之中，并在使用過程促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的

11、飛速發(fā)展。在化學(xué)化工產(chǎn)業(yè)中主要應(yīng)用于分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定、元素的定量分析、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析、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)的分析等領(lǐng)域；在生物學(xué)及醫(yī)療保健中則廣泛應(yīng)用于諸如生物膜和脂質(zhì)的多形性研究、脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)確定、生物膜蛋白質(zhì)與脂質(zhì)之間的互相作用研究、壓力作用下血紅蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化研究、生命組織研究等領(lǐng)域；核磁共振在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用則主要體現(xiàn)在油氣田的勘探、地下水資源的找尋、原油的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析等方面。核磁共振在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用利用H、C、P等核磁共振譜確定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)和變化，原子的空間位置和相互間的關(guān)聯(lián)。核磁共振技術(shù)發(fā)展得最成熟、應(yīng)用最廣泛的是氫

12、核共振，可以提供化合物中氫原子化學(xué)位移，氫原子的相對(duì)數(shù)目等有關(guān)信息，為確定有機(jī)分子結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。迄今，利用高分辨核磁共振譜儀已測(cè)定了上萬(wàn)種有機(jī)化合物的核磁共振譜圖，許多實(shí)驗(yàn)室都出版譜圖集。分析一個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)時(shí)，一般僅需做個(gè)氫譜、碳譜、極化轉(zhuǎn)移譜，更多時(shí)候除了一維譜還需要做一系列二維譜:氫-氫化學(xué)位移相關(guān)譜、碳-氫化學(xué)位移相關(guān)譜、遠(yuǎn)程化學(xué)位移相關(guān)譜或做氫檢測(cè)的異核多鍵相關(guān)譜、氫檢測(cè)的異核多量子相關(guān)譜等。對(duì)于簡(jiǎn)單分子的結(jié)構(gòu)，根據(jù)以上譜圖解析就能確定，對(duì)于全然未知物的結(jié)構(gòu)，還需結(jié)合其它的一些數(shù)據(jù)，如:質(zhì)譜、紅外、元素分析等。利用核磁共振方法也可解決某些屬于分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的問題，有可能研究固體中

13、分子運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，研究結(jié)構(gòu)相變（例如鐵電體的結(jié)構(gòu)相變），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精細(xì)場(chǎng)等如氫核的核磁共振圖像：觀察水中H核的共振信號(hào)1%濃度的CuSO4中H核的共振：如圖13（a）所示。1%濃度的FeCI3中H核的共振：如圖13（b）所示。圖13(a)1%濃度的CuSO4中H核的共振如圖13(b)1%濃度的FeCI3中H核的共振3.1.2測(cè)量H核的g因子、旋磁比丫、核磁矩卩分別做了兩組，由附表數(shù)據(jù)及公式：逥旋頻率=v0/B2B1=0.49689TB2=0.49714T表11不同試劑測(cè)量的H核的g因子、旋磁比和核磁矩試劑類別共振頻率v0/(MHz)振蕩幅度/Vg因子旋磁比Y/(Hz1)核磁

14、矩卩/(JT1)硫酸銅21.15621505.58562.6752x1081.4106x10-24三氯化鐵21.15621505.58562.6752x1081.4106x10-24氯化錳21.15601505.58562.6752x1081.4106x10-24丙三醇21.15561505.58562.6751x1081.4105x10-2純水21.15581505.58562.6751x1081.4105x10-24表艮12不同試心劑測(cè)量的H核的g因子、旋磁比和核磁矩試劑類別共振頻率/(MHz)振蕩幅度/Vg因子旋磁比Y/(HzT-1)核磁矩卩/(JT1)硫酸銅21.16681515.58

15、562.6752x1081.4106x10-24三氯化鐵21.16521485.58522.6750 x1081.4105x10-24氯化錳21.16521495.58512.6749x1081.4104x10-24丙三醇21.16411495.58502.6749x1081.4104x10-24純水21.1640655.58492.6748x1081.4104x10-243.1.3觀察H核的飽和現(xiàn)象飽和現(xiàn)象是指共振信號(hào)的幅度達(dá)最大的過程。表21振蕩器振蕩幅度和共振信號(hào)幅度關(guān)系表振蕩幅度(V)0.060.100.150.200.250.30試劑類別振號(hào)S/V)共信幅硫酸銅1.181.191.2

16、21.761.871.90三氯化鐵2.142.082.032.031.941.10氯化錳1.131.081.061.081.060.576丙三醇2.161.841.471.231.000.540純水0.1780.1340.1160.0960.0840.052運(yùn)用MATLAB作出圖：如圖14所示.振蕩幅度CV)趣盟Me黑x圖14振蕩器振蕩幅度和共振信號(hào)幅度關(guān)系圖3.1.4改變掃場(chǎng)頻率觀察H核的飽和現(xiàn)象以純水為觀察樣品，從小到大改變掃場(chǎng)電源的掃場(chǎng)頻率時(shí)，共振幅度先增大到最大之后后減小，像開口向下的二次曲線。附表：-*1=1兒糸豐度/%自旋素1逥旋頻率v0/(MHzT-1)1H99.91/242.5

17、7719F1001/240.055可能用到的常量：電子質(zhì)量me=9.10956x103kg質(zhì)子質(zhì)量Np=1830.39mepe普朗克常量h=6.6262x10-34JS-1核磁子卩二5.050787x10-27JT-1N核磁共振技術(shù)在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用核磁共振技術(shù)在有機(jī)合成中，不僅可對(duì)反應(yīng)物或產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析和構(gòu)型確定，在研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)、探討反應(yīng)機(jī)理等方面也有著廣泛應(yīng)用17。核磁共振波譜能夠精細(xì)地表征出各個(gè)氫核或碳核的電荷分布狀況，通過研究配合物中金屬離子與配體的相互作用，從微觀層次上闡明配合物的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對(duì)有機(jī)合成反應(yīng)機(jī)理的研究重要是對(duì)其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究和動(dòng)力學(xué)

18、數(shù)據(jù)的推測(cè)來實(shí)現(xiàn)的18。核磁共振技術(shù)在高分子化的應(yīng)用核磁共振技術(shù)在高分子聚合物和合成橡膠中的應(yīng)用包括共混及三元共聚物的定性、定量分析、異構(gòu)體的鑒別;端基表征;官能團(tuán)鑒別;均聚物立規(guī)性分析;序列分布及等等規(guī)度的分析等19。液體高分辨核磁共振可以提供聚合物的信息有:(1)聚合物類型的鑒定，不同單體生成的聚合物，雖然同為大分子碳?xì)浠衔?，但其共振譜是不完全相同的;(2)有關(guān)聚合物鏈的異構(gòu)化信息，聚合物鏈的構(gòu)型對(duì)其物理、化學(xué)性質(zhì)影響很大，辨明鏈的構(gòu)型有著重要的意義;(3)其他重要信息，通過13C-NMR譜可以分別研究其不同單元組的序列分布、交替度和不同反應(yīng)條件下聚合過程鏈活動(dòng)度變化等聚合物微觀結(jié)構(gòu)信息

19、20。核磁共振技術(shù)在其他領(lǐng)域研究中的應(yīng)用利用核磁共振方法研究硅酸鹽材料中硅結(jié)構(gòu)的變化，可以知道水泥中硅的聚合度?？梢匝芯抗杷猁}玻璃中鋁的配位結(jié)構(gòu)及其變化21.在日用化學(xué)和食品工業(yè)中，使用核磁測(cè)量物質(zhì)的含水量和含油量以及其它性質(zhì)。在藥學(xué)中可以用它分析各種中藥和西藥的結(jié)構(gòu)。核磁共振技術(shù)在活性藥物化合物的篩選方面有著巨大的潛力，尤其在基于靶分子的篩選能夠節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用及其發(fā)現(xiàn)活性化合物方面的有效性是其它方法所不可替代的22。核磁共振技術(shù)在體內(nèi)藥物分析中也有較廣泛的應(yīng)用，具有簡(jiǎn)便性、無損傷性、連續(xù)性、高分辨性等優(yōu)點(diǎn)23。在膜的研究中，有關(guān)膜的制備及分離或合成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑒定、物質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境的變化及跟

20、蹤膜催化的反應(yīng)機(jī)理等需要NMR譜儀。精細(xì)有機(jī)合成，環(huán)保中水質(zhì)穩(wěn)定劑和水質(zhì)處理劑的機(jī)理、過程研究，合成反應(yīng)過程的在線監(jiān)控和原料、最終產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控離不開使用NMR譜儀。4.總結(jié)核磁共振在探索物質(zhì)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)所具有快速、準(zhǔn)確、無損被測(cè)對(duì)象等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在化學(xué)化工、醫(yī)療保健行業(yè)、生物制藥行業(yè)、生命組織研究領(lǐng)域、航空航天工業(yè)、油氣資源勘探行業(yè)、地下水資源的尋找等各個(gè)行業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。預(yù)計(jì)21世紀(jì)核磁共振波譜技術(shù)滲透到自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用等各個(gè)方面的力度加大，將成為一個(gè)異常廣闊的譜學(xué)研究領(lǐng)域.。參考文獻(xiàn)毛希安.NMR前沿領(lǐng)域的若干新進(jìn)展J.化學(xué)通報(bào),1997,(2):13-16Dougl

21、asASkoog,DonaldMWest.PrinciplesofInstru-mentalAnalysis(secondedition)M.AmericaSaundersCollege,1980.377周家宏,顏雪明，馮玉英核磁共振實(shí)驗(yàn)圖譜解析方法J.南京曉莊學(xué)院學(xué)報(bào),2005,21(5):113-115GERSTEINBC,DYBOWSKICR.TransientTechniquesinNMRinSolid,AnIntroductiontoTheoryandPracticeM.Orlands,FL:Academic,19855林木欣等.近代物理實(shí)驗(yàn)教程,北京:科學(xué)出版社,2006楊偉,渠榮遴.固體核磁共振在高分子材料分析中的研究進(jìn)展J.高分子通報(bào)，2006,12:69-74劉江疆，林金明高效液相色譜一核磁共振技術(shù)J.生命科學(xué)儀器,2005,3(3):3-8余小波，沈文斌,相秉