1、核磁共振的原理及其應用發展摘要:核磁共振是能夠深入到物質內部而不破壞被測量對象的一種分析物質構造的現代技術，它通過利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關于原子核的信息，具有迅速、準確、分辨率高等優點，因而在科研和生產中獲得了廣泛的應用。本文主要介紹了核磁共振技術的基本原理，以及核磁共振在化學化工、生物化學、醫藥等方面的應用，并指出核磁共振波譜技術將成為21世紀一個異常廣闊的譜學研究領域.關鍵詞：核磁共振；NMR譜儀引言核磁共振( Nuclear Magnetic Resonance，NMR)波譜學是一門發展非常迅速的科學。核磁共振是根據有磁的原子核，在磁場的作用下會引起能級分裂，若有相應的射頻磁

2、場作用時，在核能級之間將引起共振躍遷，從而得到化學結構信息的一門新技術。最早于1946年由哈佛大學的伯塞爾(E. M. Purcell)和斯坦福大學的布洛赫(F. Bloch)等人用實驗所證實1。兩人由此共同分享了1952年諾貝爾物理學獎2。核磁共振技術可以提供分子的化學結構和分子動力學的信息，已成為分子結構解析以及物質理化性質表征的常規技術手段3，在物理、化學、生物、醫藥、食品等領域得到廣泛應用，在化學中更是常規分析不可少的手段。從70年代開始，在磁共振頻譜學和計算機斷層技術等基礎上，又發展起一項嶄新的醫學診斷技術，即核磁共振成像技術，并在醫學臨床上獲得巨大成功。本文主要介紹了核磁共振技術及

3、其在化學領域的應用進展。1. 核磁共振原理 泡利(W.Pauli)在1924年首先提出原子核具有磁矩，并認為核磁矩與其本身的自旋運動相聯系，用此理論成功地解釋了原子光譜的超精細結構4。核磁矩與核自旋角動量L之間的關系為： 式中是質子質量，e為單位電荷，g稱為朗德因子(Landefactor)，對于不同的核它有不同的值，它反映核內部自旋和磁矩的實驗關系。實驗工作中，常常用磁旋比(Magnetogyric-ratio)這個物理量表示核磁矩與核自旋的關系，其定義為： 隨核的結構 不同而不同，對于氫核，即質子，核磁矩比電子的自旋磁矩小得多，一般要小三個數量級。 在外磁場中，原子核的自旋角動量是空間量子

4、化的以外磁場B的方向為Z軸的正向， 則核自旋角動量的空間量子化表示為 式中M是核自旋量子數，對于具有自旋量子數為I的核，M的取值為-I，-I+1，I，共有2I+1個值.對于不同的核，I可能為整數或半整數或零。核自旋的空間取向，由(1)式5 由(4)和(5)式可得g因子與磁旋比的關系為 可見，g因子也是一種磁旋比。 2.核磁共振技術的發展1930年代，物理學家伊西多-拉比發現在磁場中的原子核會沿磁場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生翻轉。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。1946年兩位美國科學家發現，將具有奇數個核子(包括質子和中子)的

5、原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發現原子核吸收射頻場能量的現象，這就是人們最初對核磁共振現象的認識。1964年后，核磁共振譜儀經歷兩次重大的技術革命，其一是磁場超導化;其二是脈沖傅立葉變換技術。從根本上提高了核磁共振波譜儀的靈敏度，同時譜儀的結構也有了很大的變化。1964年美國Varian公司研制出世界上第一臺超導磁場的核磁共振譜儀(HR200型， 200MHZ，場強474T)。2004年布魯克Biospin公司推出了全球第一款用于核磁共振領域的900MHz主動屏蔽式超導核磁共振磁體產品900US2TMmagnet，是當時最高場強的主動屏蔽式磁體產品。2002年北京大學安裝成功

6、的由世界最大的波譜磁體生產廠家布魯克公司提供的中國首臺800MHz核磁共振儀填補了國內超高場譜儀的空白，也使北大成為世界上具有重要影響的超高場新用戶。2.1二維核磁共振技術1971年， Jeener首先提出了二維核磁概念。80年代， Ernst小組詳細分析了二維實驗，全面系統論述了二維核磁共振原理。后經Ernst和Free-man等小組的卓越工作，使二維核磁共振成為常規實驗。因此， Ernst獲得了諾貝爾化學獎。現在，二維核磁共振技術已被廣泛應用于復雜生物大分子的研究，尤其對于那些分子量不太大的物質(M小于10kd)，高分辨核磁技術給出的結構，可與X射線衍射相媲美。隨著核磁共振儀兆數的提高，分

7、辨率的增加，以及標記技術的發展，大分子量的蛋白結構也能用核磁共振技術確定。新興起的三維核磁共振(3DNMR)技術也開始應用于生物分子的研究，有人用13C， 15N， 2H標記的三維核磁共振研究了分子量小于40kd的蛋白質。美中不足的是，三維核磁共振實驗需時長，且蛋白質標記過程復雜，一定程度上限制了三維核磁共振技術的廣泛應用。2.2固體高分辨核磁共振普通核磁共振波譜儀所測樣品多為液體，物質在固態時的許多性質在液態時是無法觀察到的，例如極性分子的直接偶極相互作用在液態時被平均為零，但在固態時可通過這種相互作用研究分子的排列取向，化學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

8、在固態時才能進行研究。利用固體核磁共振技術研究高分子化合物可以表征材料的分子結構進而監視反應的進度6。另外，在礦物分析、表面吸附和表面化學反應方面具有獨到的優勢。2.3核磁共振圖像 將某一核磁共振波譜參數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70年代初提出來的，是一種無損測量技術，運用該技術使得人類對自身的結構和生理活動的認識有了長足的提高。現已有了商品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院中獲得廣泛應用。2.4核磁共振聯用技術聯用技術很多，比如GCMS， GCIR等，核磁共振具有MS， IR特有的優勢，能很方便的提供不同分子結

9、構上的細微差別，包括同分異構化合物和立體異構化合物。但是，核磁共振要求分析樣品是純物質，對于混合物進行分析得到的結構往往很困難，在很窄的化學位移里面要區分不同物質的信號在很多情況下是不可能的。因此在使用核磁共振檢測前，需要對混合樣品進行分離純化前處理。因而可將色譜的高效分離能力與核磁共振的結構鑒定能力結合起來。已經與核磁共振聯用的分離手段有:高效液相色譜-核磁共振聯用(HPLC-NMR)、超臨界流體色譜-核磁共振聯用(SFC-NMR)、超臨界流體萃取-核磁共振聯用(SFE-NMR)、毛細管電泳-核磁共振聯用(CE-NMR)7。其中高效液相色譜(HPLC)在復雜樣品中的分離已得到廣泛應用，通過調

10、整色譜條件可用于分離不同的樣品。將核磁共振儀與之聯用在各種樣品的分析檢測中得到了很好的應用，在藥物檢測、天然產物檢測等中的應用均有文獻報道8。3.核磁共振的應用核磁共振技術能夠在不破壞物質內部結構的前提下迅速、準確地分析物質結構，因而在科研和生產生活中得到了廣泛的應用，從最初的物理學研究領域很快滲透到包括化學、生物學912、地質學1316、醫療保健912在內的各種學科之中，并在使用過程促進了相關學科的飛速發展。在化學化工產業中主要應用于分子的結構測定、元素的定量分析、有機化合物的結構解析、有機化合物中異構體的區分和確定、大分子化學結構的分析等領域；在生物學及醫療保健中則廣泛應用于諸如生物膜和脂

11、質的多形性研究、脂質雙分子層的脂質分子動態結構確定、生物膜蛋白質與脂質之間的互相作用研究、壓力作用下血紅蛋白質結構的變化研究、生命組織研究等領域；核磁共振在地質學中的應用則主要體現在油氣田的勘探、地下水資源的找尋、原油的定性鑒定和結構分析等方面。3.1核磁共振在分子結構測定中的應用利用H、C、P等核磁共振譜確定有機化合物分子結構和變化，原子的空間位置和相互間的關聯。核磁共振技術發展得最成熟、應用最廣泛的是氫核共振，可以提供化合物中氫原子化學位移，氫原子的相對數目等有關信息，為確定有機分子結構提供依據。迄今，利用高分辨核磁共振譜儀已測定了上萬種有機化合物的核磁共振譜圖，許多實驗室都出版譜圖集。分

12、析一個化合物的結構時，一般僅需做個氫譜、碳譜、極化轉移譜，更多時候除了一維譜還需要做一系列二維譜:氫-氫化學位移相關譜、碳-氫化學位移相關譜、遠程化學位移相關譜或做氫檢測的異核多鍵相關譜、氫檢測的異核多量子相關譜等。對于簡單分子的結構，根據以上譜圖解析就能確定，對于全然未知物的結構，還需結合其它的一些數據，如:質譜、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構和晶體結構的問題，有可能研究固體中分子運動的性質，研究結構相變（例如鐵電體的結構相變），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精細場等如氫核的核磁共振圖像：觀察水中H核的共振信號1%濃度的CuSO4 中H核的共振：如圖13（a)

13、所示。1%濃度的FeCl3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FeCl3中H核的共振測量H核的g因子、旋磁比、核磁矩分別做了兩組，由附表數據及公式：逥旋頻率=/B 2 B1=0.49689TB2=0.49714T 表11 不同試劑測量的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/ (HzT-1)核 磁 矩/(JT-1)硫酸銅21.15621505.58562.67521081.410610-24三氯化鐵21.15621505.58562.67521081.410610-24氯化錳2

14、1.15601505.58562.67521081.410610-24丙三醇21.15561505.58562.67511081.410510-2純水21.15581505.58562.67511081.410510-24表12 不同試劑測量的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/(HzT-1)核磁矩/(JT-1)硫酸銅21.16681515.58562.67521081.410610-24三氯化鐵21.16521485.58522.67501081.410510-24氯化錳21.16521495.58512.67491081.410410-24丙三

15、醇21.16411495.58502.67491081.410410-24純水21.1640655.58492.67481081.410410-24觀察H核的飽和現象飽和現象是指共振信號的幅度達最大的過程。表21 振蕩器振蕩幅度和共振信號幅度關系表振蕩幅度（V）0.060.100.150.200.250.30試劑類別共振信號幅度/（V）硫酸銅1.181.191.221.761.871.90三氯化鐵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0.1780.1340.1160.0

16、960.0840.052運用MATLAB作出圖：如圖14所示. 圖14 振蕩器振蕩幅度和共振信號幅度關系圖3.1.4 改變掃場頻率觀察H核的飽和現象 以純水為觀察樣品，從小到大改變掃場電源的掃場頻率時，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：元素豐度/%自旋素I逥旋頻率/(MHzT-1)1H99.91/242.57719F1001/240.055可能用到的常量：電子質量 me=9.10956103 kg 質子質量 Np=1830.39me 普朗克常量 h=6.626210-34 JS-1 核磁子 3.2核磁共振技術在有機合成反應中的應用核磁共振技術在有機合成中，不僅可對反應

17、物或產物進行結構解析和構型確定，在研究合成反應中的電荷分布及其定位效應、探討反應機理等方面也有著廣泛應用17。核磁共振波譜能夠精細地表征出各個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與結構的關系，對有機合成反應機理的研究重要是對其產物結構的研究和動力學數據的推測來實現的18。3.3核磁共振技術在高分子化的應用核磁共振技術在高分子聚合物和合成橡膠中的應用包括共混及三元共聚物的定性、定量分析、異構體的鑒別;端基表征;官能團鑒別;均聚物立規性分析;序列分布及等等規度的分析等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

18、，不同單體生成的聚合物，雖然同為大分子碳氫化合物，但其共振譜是不完全相同的; (2)有關聚合物鏈的異構化信息，聚合物鏈的構型對其物理、化學性質影響很大，辨明鏈的構型有著重要的意義; (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、交替度和不同反應條件下聚合過程鏈活動度變化等聚合物微觀結構信息20。3.4核磁共振技術在其他領域研究中的應用利用核磁共振方法研究硅酸鹽材料中硅結構的變化，可以知道水泥中硅的聚合度。可以研究硅酸鹽玻璃中鋁的配位結構及其變化21.在日用化學和食品工業中，使用核磁測量物質的含水量和含油量以及其它性質。在藥學中可以用它分析各種中藥和西藥的結構。核磁

19、共振技術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省大量的時間和費用及其發現活性化合物方面的有效性是其它方法所不可替代的22。核磁共振技術在體內藥物分析中也有較廣泛的應用，具有簡便性、無損傷性、連續性、高分辨性等優點23。在膜的研究中，有關膜的制備及分離或合成物質的結構鑒定、物質結構環境的變化及跟蹤膜催化的反應機理等需要NMR譜儀。精細有機合成，環保中水質穩定劑和水質處理劑的機理、過程研究，合成反應過程的在線監控和原料、最終產品的質量監控離不開使用NMR譜儀。4.總結核磁共振在探索物質內部精細結構所具有快速、準確、無損被測對象等諸多優點，因而在化學化工、醫療保健行業

20、、生物制藥行業、生命組織研究領域、航空航天工業、油氣資源勘探行業、地下水資源的尋找等各個行業中也得到廣泛的應用。預計21世紀核磁共振波譜技術滲透到自然科學、醫學應用和工業應用等各個方面的力度加大，將成為一個異常廣闊的譜學研究領域.。參考文獻1毛希安.NMR前沿領域的若干新進展J.化學通報,1997,(2):13-162Douglas A Skoog,Donald M West.Principles of Instru-mental Analysis (second edition) M.America SaundersCollege,1980.3773周家宏,顏雪明,馮玉英.核磁共振實驗圖譜解

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