[科普中國]-核磁共振波譜法

核磁共振波譜法（英語：Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，簡稱 NMR spectroscopy 或 NMRS ），又稱核磁共振波譜，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于測定分子結(jié)構(gòu)的一種譜學(xué)技術(shù)。目前，核磁共振波譜的研究主要集中在氫譜和碳譜兩類原子核的波譜。

人們可以從核磁共振波譜上獲取很多信息，正如同紅外光譜一樣，核磁共振波譜也可以提供分子中化學(xué)官能團的數(shù)目和種類，但除此之外，它還可以提供許多紅外光譜無法提供的信息。核磁共振波譜對自然科學(xué)研究有著深遠的影響，人們不僅可以借助它來研究反應(yīng)機理，還可以用來研究蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能。供研究的核磁樣品可為液體或固體。

波譜這一譯名是科學(xué)家丁渝提出的。

簡介核磁共振波譜法（英語：Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，簡稱 NMR spectroscopy 或NMRS），又稱核磁共振波譜，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于測定分子結(jié)構(gòu)的一種譜學(xué)技術(shù)。目前，核磁共振波譜的研究主要集中在氫譜和碳譜兩類原子核的波譜。

人們可以從核磁共振波譜上獲取很多信息，正如同紅外光譜一樣，核磁共振波譜也可以提供分子中化學(xué)官能團的數(shù)目和種類，但除此之外，它還可以提供許多紅外光譜無法提供的信息。核磁共振波譜對自然科學(xué)研究有著深遠的影響，人們不僅可以借助它來研究反應(yīng)機理，還可以用來研究蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能。供研究的核磁樣品可為液體或固體。

波譜這一譯名是科學(xué)家丁渝提出的。1

歷史哈佛大學(xué)的珀塞爾小組和斯坦福大學(xué)的布洛赫小組在1940年代末和50年代初獨立開發(fā)了核磁共振波譜法。因為他們的發(fā)現(xiàn)，愛德華·珀塞爾（Edward Mills Purcell）和費利克斯·布洛赫（Felix Bloch）分享了1952年度的諾貝爾物理學(xué)獎。1

基本的NMR技術(shù)共振頻率當(dāng)放置在磁場中時，核磁共振活性的原子核（比如1H和13C），以同位素的頻率特性吸收電磁輻射。共振頻率，原子核吸收的能量以及信號強度與磁場強度成正比。比方說，在場強為21特斯拉的磁場中，質(zhì)子的共振頻率為900MHz。盡管其他磁性核在此場強下?lián)碛胁煌墓舱耦l率，但人們通常把21特斯拉和900MHz頻率進行直接對應(yīng)。

樣品處理核磁共振波譜儀通常由一個旋轉(zhuǎn)的樣品架，一個非常強的磁鐵，一個射頻發(fā)射器和一個接收器組成，探頭（天線組件）在磁鐵內(nèi)部環(huán)繞樣品，可選擇用于擴散測量的梯度線圈和電子設(shè)備來控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)樣品是平均擴散運動所必需的。而擴散常數(shù)（擴散有序光譜法或DOSY）的測量是在樣品靜止和離心的情況下進行的，流動池可用于在線分析工藝流程。

氘代NMR溶劑NMR溶液中的絕大多數(shù)原子核屬于溶劑，大多數(shù)常規(guī)溶劑是烴，并含有NMR響應(yīng)的質(zhì)子。 因此，氘（氫-2）被取代（99+%）。雖然氘氧化物 (D2O)和氘代DMSO(DMSO-d6)用于親水分析物，氘代苯也是常見的，但氘代溶劑最常用的是氘代氯仿(CDCl3)。 取決于電子溶劑化效應(yīng)，不同溶劑中的化學(xué)位移稍有不同。NMR波譜通常相對于已知的溶劑殘余質(zhì)子峰值，而不是添加的四甲基硅烷進行校準(zhǔn)。1

相關(guān)譜主條目：關(guān)聯(lián)性磁振頻譜

相關(guān)譜（Correlation Spectroscopy）是二維核磁波譜的一種，常常簡寫為COSY。其它二維譜還包括J頻譜（J-spectroscopy），交換頻譜（EXSY，Exchange spectroscopy），核歐佛豪瑟效應(yīng)頻譜（NOESY，Nuclear Overhauser effect spectroscopy），全相關(guān)譜（TOCSY，total correlation spectroscopy），近程碳氫相關(guān)（HSQC，Heteronuclear single quantum coherence），遠程碳氫相關(guān)（HMBC，Heteronuclear multiple bond coherence）等。二維譜在解析分子結(jié)構(gòu)方面可比一維譜提供更多的信息，特別是用一維譜解析復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)遇到困難的時候，二維譜可以提供幫助。歷史上首次二維譜實驗方法由比利時布魯塞爾自由大學(xué)（Université Libre de Bruxelles）教授讓·吉納（Jean Jeener）于1971年提出，之后其實驗操作由沃爾特·歐（Walter P. Aue），恩里克·巴爾托爾蒂（Enrico Bartholdi）和理查德·恩斯特（Richard R. Ernst）完成，并于1976年發(fā)表。1

固態(tài)核磁共振光譜液體核磁樣品如果放在某些特定的物理環(huán)境下，是無法進行研究的，而其它原子級別的光譜技術(shù)對此也無能為力。但在固體中，像晶體，微晶粉末，膠質(zhì)這樣的，偶極耦合和化學(xué)位移的磁各向異性將在核自旋系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)，在這種情況下如果使用傳統(tǒng)的液態(tài)核磁技術(shù)，譜圖上的峰將大大增寬，不利于研究。

目前已經(jīng)有一系列的高分辨率固體核磁技術(shù)被研發(fā)出來。高解析固體核磁技術(shù)包含兩個重要概念，即通過高速旋轉(zhuǎn)來限制分子自取向和消除磁各向異性，對于后者，最常用的旋轉(zhuǎn)方式是魔角旋轉(zhuǎn)（Magic angle spinning），即旋轉(zhuǎn)軸和主磁場的夾角為54.7°。

固體核磁技術(shù)常被用于膜蛋白，蛋白纖維和聚合物的結(jié)構(gòu)探究，以及無機化學(xué)中的化學(xué)分析。但同樣可被應(yīng)用于研究于樹葉和燃油。1

生物分子核磁共振光譜蛋白質(zhì)利用核磁譜研究蛋白質(zhì)，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的一項重要技術(shù)手段。X射線單晶衍射和核磁都可獲得高分辨率的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，不過核磁常局限于35kDa以下的小分子蛋白，盡管隨著技術(shù)的進步，稍大的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也可以被核磁解析出來。另外，獲得本質(zhì)上非結(jié)構(gòu)化（Intrinsically Unstructured）的蛋白質(zhì)的高分辨率信息，通常只有核磁能夠做到。

蛋白質(zhì)分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一維核磁譜常顯得重疊擁擠而無法進行解析，使用二維，三維甚至四維核磁譜，并采用C和N標(biāo)記可以簡化解析過程。另外，NOESY是最重要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析方法之一，人們通過NOESY獲得蛋白質(zhì)分子內(nèi)官能團間距，之后通過電腦模擬得到分子的三維結(jié)構(gòu)。

核酸“核酸核磁共振”是利用核磁共振光譜學(xué)獲得關(guān)于多核酸如DNA或RNA的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的信息。截至2003年，所有已知RNA結(jié)構(gòu)中近一半已通過核磁共振波譜法確定。

核酸和蛋白質(zhì)核磁共振波譜相似但存在差異。核酸具有較小的氫原子百分比，這是在NMR光譜學(xué)中通常觀察到的原子，并且因為核酸雙股螺旋是剛性的且大致線性的，所以它們不會自行折疊以產(chǎn)生“長程”相關(guān)性。通常用核酸完成的NMR的類型是H或質(zhì)子NMR，13C NMR，15N NMR和31P NMR。 幾乎總是使用二維核磁共振波譜方法，例如相關(guān)光譜學(xué)（COSY）和總相干轉(zhuǎn)移光譜學(xué)（TOCSY）來檢測穿透式核耦合，核歐佛豪瑟效應(yīng)(Nuclear Overhauser effect)光譜法（NOESY）來檢測彼此在空間上靠近的核之間的耦合。

糖類糖類核磁共振光譜解決糖類結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的問題。2

另見核磁共振

核磁共振成像

核磁管

丁渝

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所