核磁共振技術(shù)及應(yīng)用-綜述

核磁共振技術(shù)及應(yīng)用學(xué)號：2011201373姓名：楊海源摘要:綜述核磁共振技術(shù)的基本原理與優(yōu)勢以及該技術(shù)作為一種檢測分析手段在生物醫(yī)藥、食品、化工業(yè)中的應(yīng)用進展。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)是以原子核自旋的共振躍遷為探測對象的譜學(xué)方法。其最基本原理是，原子核在磁場中受到磁化，自旋角動量發(fā)生進動，當(dāng)外加能量（射頻場）與原子核震動頻率相同時，原子核吸收能量發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生共振吸收信號。此方法專屬性強、準(zhǔn)確快捷,可與其它方法相互補充,用于諸多環(huán)節(jié)且有很好的應(yīng)用前景。但在實際的應(yīng)用中也還存在一些問題,有待于進一步深入研究。關(guān)鍵詞:核磁共振技術(shù)，NMR，生物，食品，石油，分析，檢測AbstractThetechnologyofnuclearmagneticresonance(NMR)applyingin\o"查找:biologicalmedicine"biologicalmedicine,food,chemicalindustrydetectionathomeandabroadwassummarized.Themostbasicprinciplesofnucleibymagnetizedinamagneticfield,thespinangularmomentumprecession,plusenergynucleivibrationfrequencyatthesametime,thenucleiabsorbenergyleveltransitionoccurs,resonanceabsorptionsignal.Accordingtocurrentsituation,ithassomeadvantagesinfooddetectionsuchasfastness,accuracy,intactness.However,therearestillsomeshortcomings,andweshouldfurtherresearchtosolvetheminfuture.1.前言核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)波譜學(xué)是一門發(fā)展非常迅速的科學(xué)，是一種物質(zhì)與低頻電磁波（通常為1000MHz的無線電波）相互作用的基本物理現(xiàn)象。在20世紀(jì)中期由荷蘭物理學(xué)Goveter最先發(fā)現(xiàn)，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)等人用實驗所證實。兩人因這一發(fā)現(xiàn)而分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎。初期開始在食品科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，隨著該技術(shù)的不斷更新，該技術(shù)在物理、化工、生物、醫(yī)藥、食品、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過大批科學(xué)家的深入研究，核磁共振技術(shù)不斷獲得改進和創(chuàng)新，目前已經(jīng)發(fā)展出一系列具有特殊用途的核磁共振信技術(shù)，比如核磁雙共振、二維核磁共振、核磁共振成像技術(shù)、魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)、極化轉(zhuǎn)移技術(shù)等。這些技術(shù)的完善和成熟使得核磁共振技術(shù)在生產(chǎn)、生活、科研當(dāng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了核磁共振技在生物醫(yī)藥、食品、化工業(yè)的應(yīng)用進展。2.核磁共振基本原理及特點其最基本原理是，原子核在磁場中受到磁化，自旋角動量發(fā)生進動，當(dāng)外加能量（射頻場）與原子核震動頻率相同時，原子核吸收能量發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生共振吸收信。原子核帶有正電,許多元素的原子核進行自旋運動。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規(guī)律的,但將其置于外加磁場中時,核自旋空間取向從無序向有序過渡，自旋系統(tǒng)的磁化矢量由零逐漸增長,當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時,磁化強度達到穩(wěn)定值。如果此時核自旋系統(tǒng)受到外界作用,如一定頻率的射頻激發(fā)原子核即可引起共振效應(yīng)。在射頻脈沖停止后,自旋系統(tǒng)已激化的原子合物形成過程中低分布的激發(fā)態(tài)蛋白的存在提供有力的結(jié)構(gòu)證據(jù)。用NMR技術(shù)可研究藥物與蛋白質(zhì)的相互作用，其中最著名的是1996年Abbott實驗室Shuker等人提出SAR-by-NMR的概念,即通過比較加入藥物前后的同位素標(biāo)記蛋白質(zhì)NMR譜圖，來確定化合物是否與蛋白質(zhì)有相互作用,特別適合篩選結(jié)合較弱的藥物。生物領(lǐng)域常用NMR方法包括轉(zhuǎn)移NOE(nuclearover-hausereffect,NOE)法、飽和轉(zhuǎn)移差譜STD法、Water-LOGSY法等。其中轉(zhuǎn)移NOE法靈敏度較低，適于測定離解常數(shù)在100nM與1mM之間的體系。STD是研究藥物與蛋白相互作用的非常普遍并行之有效的方法之一。近年來,它被用于檢測藥物8500kDa人源鼻病毒蛋rhinovirus(HRV2)的相互作用以及藥物與RNA的相互作用。它和魔角旋轉(zhuǎn)(MAS)技術(shù)相結(jié)合,還可測定多糖與固體麥胚凝集素的結(jié)合等等。近年來生物NMR發(fā)展迅速,新方法和新技術(shù)層出不窮,研究領(lǐng)域不斷擴展。核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用已經(jīng)成為新的研究熱點。主要有腦內(nèi)疾病檢測，非損傷性核磁共振胰膽管顯像技術(shù)(MRCP)判斷胰膽管疾病的方法。相對于X射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù),MNR對人體沒有輻射影響，相對于超聲探測技術(shù)，核磁共振成像更加清晰,能夠顯示更多細節(jié)，此外相對于其他成像技術(shù)，核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變，而且還能夠?qū)π?、肝等功能性反?yīng)進行精確的判定。在阿爾茨海默氏癥、癌癥等疾病的診斷方面，核磁共振技術(shù)發(fā)揮了非常重要的作用。4.核磁共振技術(shù)在食品分析檢測中的應(yīng)用面對食品業(yè)、食品加工、分析檢測技術(shù)等的快速發(fā)展與需求，核磁共振技術(shù)也應(yīng)用于食品分析檢測。如水分在食品中的含量、分布和存在狀態(tài)的差異會直接影響到食品的品質(zhì)、加工特性和穩(wěn)定性等。NMR技術(shù)可以檢測用不同溫度冷凍食品過程水分遷移及水分含量的變化。在進行脂肪分析時，NMR法可取代油脂質(zhì)量控制實驗室中采用固體脂肪指數(shù)（SFI）分析方法唯一可行的、有潛在用途的儀器分析方法，并且已經(jīng)形成了國際標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)在這方面的研究主要還集中在油料種子含油量的測定方面，而在國外的應(yīng)用得則較為廣泛。NMR技術(shù)在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變研究中，聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)時，含有質(zhì)子基團的運動頻率增加，質(zhì)子活動性也隨之改變，這些變化可由NMR所測的弛豫時間T1和T2來衡量。NMR技術(shù)在糖類分析研究中主要集中在結(jié)構(gòu)解析方面，包括糖殘基數(shù)目、組成單糖種類、端基構(gòu)型、糖基連接方式和序列以及取代基團的連接位置等都能測出來。NMR技術(shù)在食品品質(zhì)鑒定中已經(jīng)成為有機和無機化合物的分子結(jié)構(gòu)鑒定和研究的一種重要工具。同時，在定量分析中也起到了重要的作用，因此，依據(jù)不同食品的某些特定參考標(biāo)準(zhǔn)，NMR技術(shù)在食品成分、品質(zhì)的分析鑒定方面也得到了有效應(yīng)用，包括鑒別果蔬和谷物在生長過程中及采摘后的內(nèi)部品質(zhì)、成熟度、內(nèi)部缺陷等，以及肉類、酒類、油脂類食品的原產(chǎn)地和品質(zhì)優(yōu)劣。還包括在食品污染物的分析和農(nóng)藥殘留、肉中同化劑的作用、氨基酸的測定、食品中的平pH及氧化還原反應(yīng)以及乳制品中微生物的測定等方面的研究都開始迅速發(fā)展。5.核磁共振在石油化工、陶瓷制作、航天方面的應(yīng)用核磁共振技術(shù)除了在生物醫(yī)藥、食品領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用外，在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用也同樣廣泛。為了提高石油資源開發(fā)與石油加工利用及評價。我國石油工程項目離不開核磁共振技術(shù)，該技術(shù)在我國石油的分析探測項目中的應(yīng)用越來越普遍。在石油勘測過程中，通過分析石油地段巖石的核磁參數(shù)和石油儲層物性參數(shù)兩者之間的關(guān)系，進而求出儲層石油藏量參數(shù)、滲透率和孔隙度等。核磁共振和質(zhì)譜等現(xiàn)代先進儀器的出現(xiàn)和應(yīng)用，大大提高了我國石油在加工利用上的效率和科技度。應(yīng)用該技術(shù)能夠分離鑒定出一些以極低濃度存在的新型生物種類。如利用核磁共振技術(shù)確定從原油中分離出來的一種新的三萜烷，它的結(jié)構(gòu)為兩順一反的二杜松烷。依據(jù)類屬相同的原油具有相似的加工特性這一原理，測出原油中各種成分的含量，可將原油分成相應(yīng)的各大類為了提高高分子材料的性能及產(chǎn)量。在生產(chǎn)過程中需要準(zhǔn)確把握聚合物種溶劑的擴散特征、聚合物均勻性、固態(tài)產(chǎn)物生長的空間取向等諸多于因素，這些高分子材料的生產(chǎn)要求都給核磁共振技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用場所。金屬陶瓷的生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)一些嚴(yán)重影響材料性能的砂眼，這也需要采用核磁共振技術(shù)來檢測。航天工業(yè)對火箭燃料的裝填要求非?？量?，通過核磁共振技術(shù)可以準(zhǔn)確探測固體燃料中的缺陷以及填充物、推進劑、增塑劑的分布情況。另外，核磁共振技術(shù)還可在水環(huán)境監(jiān)測、工程無損檢測等方面發(fā)揮著積極作用。6.總結(jié)本文著重介紹了核磁共振技術(shù)基本原理及在生物醫(yī)藥、食品、化工領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，其實它在生命科學(xué)、材料檢測、紡織檢測、水資源探查等很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在生物化學(xué)領(lǐng)域,該技術(shù)正受到蛋白質(zhì)化學(xué)、生物工程技術(shù)乃至生命科學(xué)的廣泛重視。隨著研究對象復(fù)雜性的增加必將進一步推動核磁共振波譜學(xué)的發(fā)展。但是，NMR技術(shù)也存在儀器造價昂貴和訊號分析具有專門性與復(fù)雜性等缺點，且在實際應(yīng)用中也還存在一些問題，有待于進一步深入研究，這些都限制了此種儀器在各領(lǐng)域中的普及和新儀器的開發(fā)。然而，從目前的研究現(xiàn)狀來看,今后的研究主要集中在這幾個方面，更深入地研究NMR機理；在檢測某些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時,可以結(jié)合固相微萃取、分子蒸餾等技術(shù)來克服該技術(shù)對樣品質(zhì)和量的要求；降低核磁共振儀的造價和運轉(zhuǎn)費，以推動該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。參考文獻[1]張云.核磁共振技術(shù)的歷史及應(yīng)用[J].科技信息,2010-05-25[2]高明珠.核磁共振技術(shù)及其應(yīng)用進展[J].信息記錄材料,2011-06-15[3]姜凌,劉買利.核磁共振技術(shù)在生物研究中的應(yīng)用[J].物理,2011-06-12[4]KorzhnevDM,ReligaTL,BanachewiczWetal.Science,2010,329-1312[6]趙桂生.核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用[J].醫(yī)院放射科,2011-04-05[7]于小波,沈文斌,相秉仁.中國藥科大學(xué)分析測試中心[J].藥學(xué)進展,2010-01-25[8]周凝,劉寶林.王欣核磁共振技術(shù)在食品分析檢測中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技,2010-08-24[9]LovedaySM,HindmarshJP,C