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现代生物技术

核磁共振技术概述

摘要：

核磁共振技术利用物理原理,通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质。

它不破坏被测样品的内部结构,是一种无损检测方法，为多个学科领域的研究提供了一种不可或缺的分析与测量手段。

本文重点介绍了核磁共振技术在化学、生命科学、医学以及食品科学等方面的应用。

关键词：

核磁共振技术;无损检测;应用

BriefIntroductionoftheTechnologyofNMR

Abstract:

Thetechnologyofnuclearmagneticresonanceanalysiscouldbeusedtodeterminethestructureandthenatureofmolecules.Itwillnotdamagetheinternalstructureofthesampleundertest,whichisanondestructivetest.Itprovidedanindispensablemethodofanalysisandmeasurementfortheresearchofmultipledisciplines.Thispapermainlyintroducedtheapplicationoftechnologyofthenuclearmagneticresonance（NMR）inchemistry,lifesciences,medicalscienceandsitiology,etc.

Keywords:

technologyofthenuclearmagneticresonance;nondestructivetest;application

前言

核磁共振（nuclearmagneticresonance，简称NMR）是交变磁场与物质相互作用的一种物理现象。

1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。

为此他们两人获得了1950年度诺贝尔物理学奖。

核磁共振的发现具有十分重要的意义,不仅为量子力学的基本原理提供了直接的验证,而且为多个学科领域的研究提供了一种不可或缺的分析与测量手段[1~2]。

核磁共振是共振现象的一种,是指原子核在运动中吸收外界能量产生的一种能量跃迁现象,这种现象只能出现在相邻的两个能量之间。

对氢原子而言,在静磁场中处于两种基本能量状态,指向磁场方向的原子核处于低能级,逆向磁场方向的原子核处于高能级,由磁场和温度来决定两种基本能量状态核子之间的动态平衡。

将样品放入大磁场中,加入与静磁场相交成一定角度的,并发射与该样品原子核运动频率（原子核在静磁场中按正确的角度旋转频率,也称拉莫尔频率）相同的射频脉冲（RF脉冲）,即RF脉冲与拉莫尔频率相同时,质子磁矩会吸收RF脉冲的能量,使磁矩从低能级跃迁到高能级,称共振吸收。

移去RF脉冲后,质子磁矩便从高能级回到低能级,并将吸收的能量以电磁波的形式发射出来,称为共振射。

上述吸收与发射的过程称为核磁共振。

核磁共振具有以下三个特点：

①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组态在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高[3~4]。

核磁共振技术目前有三个学科分支:

核磁共振波谱（nuclearmagneticresonancespectroscopy），磁共振成像（MagneticResonanceImaging,简称MRI）以及核磁共振测深（MagneticResonanceSounding，简称MRS）。

核磁共振波谱技术（NMR）是基于化学位移理论发展起来的，主要用于测定物质的化学成分和分子结构。

磁共振成像（MRI）技术诞生于1973年,它是一种无损测量技术,可以用于获取多种物质的内部结构图象。

磁共振测深（MRS）技术已有30年的历史，度过了‘童年’，到了‘而立’之年。

磁共振测深技术在世界上五大洲（欧、亚、北美、非、澳）二十多个国家，在各种地球物理和水文地质条件下作了试验，经过了广泛的实际应用，取得了良好的效果[5]。

现详述如下：

1、NMR技术（核磁共振频谱学）

　　NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。

对于有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。

目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱[6]。

对于孤立原子核而言，同一种原子核在同样强度的外磁场中，只对某一特定频率的射频场敏感。

但是处于分子结构中的原子核，由于分子中电子云分布等因素的影响，实际感受到的外磁场强度往往会发生一定程度的变化，而且处于分子结构中不同位置的原子核，所感受到的外加磁场的强度也各不相同，这种分子中电子云对外加磁场强度的影响，会导致分子中不同位置原子核对不同频率的射频场敏感，从而导致核磁共振信号的差异，这种差异便是通过核磁共振解析分子结构的基础。

原子核附近化学键和电子云的分布状况称为该原子核的化学环境，由于化学环境影响导致的核磁共振信号频率位置的变化称为该原子核的化学位移。

耦合常数是化学位移之外核磁共振谱提供的的另一个重要信息，所谓耦合指的是临近原子核自旋角动量的相互影响，这种原子核自旋角动量的相互作用会改变原子核自旋在外磁场中进动的能级分布状况，造成能级的裂分，进而造成NMR谱图中的信号峰形状发生变化，通过解析这些峰形的变化，可以推测出分子结构中各原子之间的连接关系[7~8]。

　　最后，信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息，处于相同化学环境的原子核在核磁共振谱中会显示为同一个信号峰，通过解析信号峰的强度可以获知这些原子核的数量，从而为分子结构的解析提供重要信息。

表征信号峰强度的是信号峰的曲线下面积积分，这一信息对于1H-NMR谱尤为重要，而对于13C-NMR谱而言，由于峰强度和原子核数量的对应关系并不显著，因而峰强度并不非常重要。

　　早期的核磁共振谱主要集中于氢谱，这是由于能够产生核磁共振信号的1H原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。

随着傅立叶变换技术的发展，核磁共振仪可以在很短的时间内同时发出不同频率的射频场，这样就可以对样品重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号从背景噪音中区分出来，这使得人们可以收集13C核磁共振信号。

　　近年来，人们发展了二维核磁共振谱技术，这使得人们能够获得更多关于分子结构的信息，目前二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构[9~11]。

2、MRI技术（核磁共振成像）

　　核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。

人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术[12]。

　　与用于鉴定分子结构的核磁共振谱技术不同，核磁共振成像技术改编的是外加磁场的强度，而非射频场的频率。

核磁共振成像仪在垂直于主磁场方向会提供两个相互垂直的梯度磁场，这样在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化，每一个位置都会有一个强度不同、方向不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得水分子在空间中分布的信息，从而获得人体内部结构的图像。

核磁共振成像技术还可以与X射线断层成像技术（CT）结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据[13~14]。

核磁共振成像技术是一种非介入探测技术，相对于X-射线透视技术和放射造影技术，MRI对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，核磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。

在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用[15]。

3、MRS技术（核磁共振测深）

　　核磁共振探测是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息[16]。

　　目前核磁共振探测技术已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中，但是相对于传统的钻探探测，核磁共振探测设备购买、运行和维护费用非常高昂，这严重地限制了MRS技术在地质科学中的应用[17]。

由于核磁共振可获取的信息丰富,因此应用领域十分广泛,如分析化学、生命科学、材料检测、石油勘探和水资源探查等等。

本文将就这些方面进行相关阐述。

1核磁共振的基本原理

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。

根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：

①质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；②质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数；③质量数为偶数，质子数与中子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。

由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。

将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。

进动具有能量,也具有一定的频率。

原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。

原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。

当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后,就会发生能级跃迁,也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。

这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。

为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。

根据物理学原理,当外加射场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候,射场的能量才能够有效地被原子核吸收,为能级跃迁提供助力。

因此某种特定的原子核,在给定的外加磁场中,只吸收某一特定频率射场提供的能量,这样就形成了一个核磁共振信号。

迄今为止,只有自旋量子数等于1/2的原子核,其核磁共振信号才能够利用,如:

1H、13C、17O、31P。

在核磁共振图谱中,可以用自旋-晶格弛豫时间T1和自旋-自旋弛豫时间T2来形容磁化强度恢复到平衡状态的过程。

由弛豫时间的差异可以看出核磁共振图谱的差异。

NMR信号是发射出的电磁射线的物理现象,与核的密度成一定的比例。

利用NMR信号来反映样品的化学结构、分子或原子的扩散系数、反应速率、化学变化以及其它性质[18~20]。

2核磁共振技术的发展历程

1930年代，伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。

这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。

由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖[21]。

1946年，斯坦福大学的费利克斯·布洛赫（F.Bloch）和哈佛大学的爱德华·珀塞尔（E.M.Purcell）发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。

为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。

六十年来,核磁共振波谱技术取得了极大的进展和成功。

检测的核从1H到几乎所有的磁性核;仪器不断向更高频率发展;从连续波谱仪到脉冲傅立叶变换谱仪,并随着多种脉冲序列的采用而发展了各种二维谱和多量子跃迁测定技术;固体高分辨核磁技术和核磁共振成像技术的出现[22~23]。

随着这些实验技术的迅速发

展,核磁共振的研究领域不断扩大。

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能[24]。

另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上,1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来。

在达马迪安新技术的启发下，纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像[25]。

劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多发性硬化症等脑部与脊椎病变以及癌症的治疗和诊断。

2003年，保罗·劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖[26]。

3核磁共振技术的应用

3.1NMR在医学中的应用　

核磁共振作为一种对人体无创、无电离辐射的诊断工具,不仅适合做结构成像,还可以做功能性成像,因而使之和X射线、CT、超声成像等一道,成为当今几大最常用的医学成像技术[27]。

核磁共振成像在医疗方面显示出强大的生命力,已成为医学诊断中一种重要手段。

它可以对人体脊髓,脑,肝,肺等各个器官直接成像,勿需借助造影剂,并有较理想的清晰度,可以观测出血流量,显示心脏活动。

它不仅能显示形态,还能提供有关功能的生化信息,从而大大地提高了诊断的准确性,有利于对突发性心肌梗塞和肝瘤等疾病的早期诊治。

我们知道,人体或其它生物体中大部分（75%）是水（含氢核）,这些水以及其它含氢分子的分布会因种种疾病而发生改变。

因此,可以利用氢核的核磁共振进行医学诊断。

核磁共振成像是核磁共振技术、图像重建技术和计算机技术相结合的产物。

核磁共振成像是以磁场值来标记生物体中共振核的空间位置。

将成像对象置于一个稳定磁场中,通常为0.15T~1.5T,并用特定的射频电磁波脉冲序列照射,使人体内部原子核产生核磁共振,脉冲消失后,被激发的核要逐渐恢复原来状态,同时以电磁辐射的形式把共振时吸收的能量释放出来,这就是可检测的核磁共振信号。

核磁共振成像所用的磁场是一个不均匀的磁场,磁场在成像对象内各处的强度分布是已知的,与之相应的共振电磁波频率不同。

改变电磁波的频率,就可以得出被测对象体内各处的核磁共振信号。

通过计算机处理后,以三维立体图像或二维断面像形式由显示器显示出来。

将病态图与正常组织图像进行比较,即可做出医疗诊断。

但是,核磁共振成像的一个重要不足是不能给出足够的信息说明正常组织与病理组织之间细胞代谢的区别。

在组织中存在多种化合物（代谢作用产物）,无损提取这些化合物信息,不仅有利于疾病的诊断和治疗,同时对阐明代谢的生理过程十分重要。

核磁共振技术在药物研发过程中也有着重要的应用,它可以提供药物设计的结构信息,还可以通过NMR技术进行配体的筛选,从而在确定药物的有效性等方面有着广泛的应用[28~29]。

自从1971年Damadian指出某些恶性肿瘤组织中水的质子弛豫时间（RF脉冲停止后,原子核恢复到最后平衡状态所用的时间）比正常组织长,并开始对活体研究至今,该应用已取得较大进展。

目前,NMR技术已成为揭示病人组织病变和器官机能失常的最有效手段[30]。

3.1.1　应用于中枢神经系统　

核磁共振成像技术（MRI）,除对脑和脊髓肿瘤的诊断外,对炎症、脱髓鞘病变以及代谢性疾病等是目前唯一有效的检查方法,尤其是对多发性硬化症、脑缺血、脊髓白质病变、脑肿瘤、颅神经病变和垂体肿瘤等的临床评价特异性高,结果准确[31]。

3.1.2　应用于骨骼肌肉系统　

MRI以其较高的组织分辨率,显示出各组织解剖的病理结构。

对骨与关节疾病的诊断优于其它任何影像学（如X射线、CT、B超等）检查,对骨的缺血性坏死（AVN）,膝关节半月板、韧带、肌腱的损伤,骨损伤、骨的炎症,肿瘤及腰椎间盘病变等都有很高的诊断价值。

3.1.3　应用于胸腹盆腔的检查　

MRI除与其它影像学检查一样,能反映出组织器官的形态学改变外,还能对代谢性疾病进行诊断,如肝脾的含铁血黄素沉着症等特异性高,对心脏及大血管检查,除显示一般的形态学改变外,还可以模拟动态观测心脏运动,评价心脏的功能,瓣膜功能及血流方向,射血过程等,对指导某些肿瘤（如恶性淋巴瘤及前列腺癌等）治疗效果的观察有着重要的临床意义。

3.2　NMR技术在微生物学中的应用　

1982年巴克（Barker）等以1H及13CNMR作为糖偶合物结构分析的常用技术,该技术能进行多糖与糖偶合物的非破坏性分析,尤其是13CNMR技术能提供重要的数据,根据图谱的谱峰数目与位置以及各谱峰相对强度比,便可推知分子的化学结构、性质与纯度,诸如碳原子异构物的数目及性质;甲基、羰基与乙酰基的存在与强度;在重复单位中的糖基残渣数目。

1983年罗弗（Rowe）等利用13CNMR技术完成细菌脂多糖核心多糖的分析,也可作为多糖是否纯化的指示剂,与此同时,Lebmann等,霍顿（Horton）等,斯特兰（Strain）等先后成功地将31PNMR技术应用于细菌LPS中的磷酸（焦磷酸）及磷酸二酯的识别,也可用于测定细菌LPS样品的纯度及均一性。

多年来,人们用NMR技术对绿脓杆菌脂多糖及LPS核心多糖的结构,大肠杆菌K12庚糖阴性变种LPS进行分析;对鼠伤寒沙门氏菌变种类脂A前体进行了纯化与分析;提取了明尼苏达沙门氏菌R595LPS的单磷酰基类脂A;分析了淋球菌LPS的类脂A;白色念珠菌寡甘露糖苷的分析以及钩端螺旋体糖脂抗原的分析,使人们对细菌结构的化学组成有了更进一步的了解[32]。

3.3　NMR技术在食品科学中的应用　

NMR技术作为一种食品检测方法,与其它物理化学检测方法比较有两大优点:

1）测量不具损坏性即能定性测量;2）在时间和空间上都能用各种比例尺进行广泛测量以求得定量结果,因此，NMR图象法是对食品中不均匀系列的复杂特性的最佳分析手段之一。

3.3.1在测定油脂氧化稳定性中的应用

运用NMR技术可以测定油脂中脂肪酸对质子吸收的变化,从而确定油脂的氧化稳定性,既无破坏性,又快速准确。

测定菜籽油和豆油表现为在存储过程中脂肪酸组成中的脂肪族、烯键、二烯丙基亚甲基的变化,脂肪族质子与烯键质子的比率用R1表示和烯键质子与二烯丙基亚甲基质子的比率用R2表示,研究发现,两种油的R1和R2都随保存时间增加而不断增加,菜籽油的R1和R2都比豆油的高,反映了菜籽油中的烯键、二烯丙基亚甲基数目比豆油中的数目低。

与采用传统方法测定的总氧化值有一定的线性相关性。

也有报道采用技术来测定鱼肉的氧化稳定性[33]。

因此,NMR技术是一种快速、无破坏性的评价食用油脂氧化稳定性的方法。

3.3.2对食品内部无损检查　

NMR图像法,主要是对外部完好,而内部已开始腐烂的水果（如苹果,桃,梨等）进行检查,以提高水果检验的可靠性;其次是用此法区别水果是否去核,为食品加工及管理工作提供方便;此外,NMR图像法还可以鉴定果实的成熟度,以大大提高果实收获及运输的可靠性[34]。

3.3.3评定啤酒质量　

目前,国外已利用NMR图像法和快速T测定法相结合,测定在油水悬浮液中油和水的分离酪化过程,以此揭示不同品牌的啤酒其泡沫破灭速度的差异,为啤酒质量的评定提供依据。

3.3.4评定金枪鱼的等级　

国际市场上金枪鱼的等级随脂肪附着情况而定,用NMR图像法可以迅速准确而又毫无破坏地检测金枪鱼含水分子的情况,以快速评价出金枪鱼的等级。

此外,还可利用化学位移显像法和局部NMR图像法跟踪诸如巧克力一类食品的油水悬浮液中油脂的结晶过程,再根据不同的结晶过程,判断不同产品的风味,从而改进生产工艺,提高巧克力类食品的风味特色。

3.4核磁共振技术在化学中的应用

3.4.1在分子结构测定中的应用

核磁共振技术是测定分子结构的有效工具。

迄今,利用高分辨核磁共振谱仪已测定了上万种有机化合物的核磁共振谱图,许多实验室都出版有谱图集。

对分子结构的测定,包括对有机化合物绝对构型的测定和对复杂化合物结构的解析两大类。

应用核磁共振技术测定有机化合物的绝对构型,主要是测定R和（或）S手性试剂与底物反应的产物的1H或13CNMR化学位移数据,得到v值与模型比较来推断底物手性中心的绝对构型。

有时,我们仅需要做几个谱（如:

1H、13C等）,然后通过对照标准谱图,就能确定一个分子的结构；但更多的情况下我们需要做一系列谱才能确定一个分子的结构,包括:

1D主要有氢谱（1H）、碳谱（13C）、极化转移谱（DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer,DEPT）;2D有氢-氢化学位移相关谱（1H,1HChemicalShiftCorrelationSpectroscopy-1H,1HCOSY）、碳-氢化学位移相关谱（13C,1HChemicalShiftCorrelationSpectroscopy-13C,1HCOSY）远程化学位移相关谱（CorrelationSpectroscopyViaLongRangeCoupling,COLOC）或做氢检测的异核多键相关实验（1HDetectedHeteronuclearMultipleBondConnectivity,HMBC）、氢检测的异核多量子相关实验（1HDetectedHeteronuclearMultipleQuantumCoherence,HMQC）及J—分解谱（J—resolved）等。

对于简单分子的结构,我们可以通过以上谱图的解析就能确定,而不必借助于其它谱学实验,当然对于要确定全然未知物的结构,应再结合其它的一些数据,如:

质谱、红外、元素分析等[35~36]。

对复杂化合物结构解析是核磁共振技术最为主要的应用。

利用这项技术可以获得化合物丰富的分子结构信息,广泛应用于天然产物的结构解析。

在分析天然产物中,核磁共振仪的检出限较其它波谱分析仪器高,这对于产率较低的天然产物化合物来说无疑是一种瓶颈制约因素。

不过,近期在仪器的相关技术上有了一些技术革新,并正在走向成熟