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1、核磁共振技术及应用-综述-标）隹化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII核磁共振技术及应用 学号：2011201373 姓名：杨海源 摘要:综述核磁共振技术的基本原理与优势以及该技术作为一种检测 分析手段在生物医药、食品、化工业中的应用进展。核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)是以原子核自旋的共振跃迁为探 测对象的谱学方法。其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化， 自旋角动量发生进动，当外加能量(射频场)与原子核震动频率相 同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号。此方法 专属性强、准确快捷，可
2、与其它方法相互补充,用于诸多环节且有很 好的应用前景。但在实际的应用中也还存在一些问题,有待于进一步 深入研究。关键词:核磁共振技术，NMR，生物，食品，石油，分析，检测AbstractThe technology of nuclear magnetic resonance( NMR ) applying in biological medicine,food,chemical industry detection at home and abroad was summarized. The most basic principles of nuclei by magnetized in a
3、magnetic field , the spin angular momentum precession , plus energy nuclei vibration frequency at the same time , the nuclei absorb energy level transition occurs , resonance absorption signal. According to current situation, it has some advantages in food detect ion such as fastness, accuracy, inta
4、ctness. However, there are still some shortcomings, and we should further research to solve them in future.1. 刖言核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)波谱学是一门发展 非常迅速的科学，是一种物质与低频电磁波(通常为1000MHz的无 线电波)相互作用的基本物理现象。在20世纪中期由荷兰物理学 Goveter最先发现，于1946年由哈佛大学的伯塞尔(E. M. Purcell)和 斯坦福大学的布洛赫(F. Bloch )等人用实验所证实。两人因这一发
5、现 而分享了 1952年诺贝尔物理学奖。初期开始在食品科学领域发挥其 优势，随着该技术的不断更新，该技术在物理、化工、生物、医 药、食品、航天等领域得到广泛应用。通过大批科学家的深入研 究，核磁共振技术不断获得改进和创新，目前已经发展出一系列具 有特殊用途的核磁共振信技术，比如核磁双共振、二维核磁共振、 核磁共振成像技术、魔角旋转技术、极化转移技术等。这些技术的 完善和成熟使得核磁共振技术在生产、生活、科研当中获得了广泛 的应用。本文主要介绍了核磁共振技在生物医药、食品、化工业的 应用进展。2. 核磁共振基本原理及特点其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生 进动，当外加能量(射
6、频场)与原子核震动频率相同时，原子核吸 收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信。原子核带有正电，许多元素 的原子核进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规 律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡， 自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到 稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，如一定频率的射频激发 原子核即可引起共振效应。在射频脉冲停止后眉旋系统已激化的原 子核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放 出微弱的能量，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间 分辨，就得到运动中原子核分布图像。磁共振最常用的核是氢原子核
7、 质子(1H),因为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在。相比于其他 传统的检测方法，核磁共振法能够保持样品的完整性，是一种非破 坏性的检测手段，操作方法简单快速，测量精确，重复性高；样品 无需添加溶剂，定量测定无需标样；测量结果受材料样本大小与外 观色泽的影响较小，且不受操作员的技术和判断所影响。另外，利用 该技术可在短时间内同时获得样品中多种组分的弛豫时间曲线图 谱，从而能准确地对样品进行分析鉴定。3. 核磁共振技术在生物医药研究中的应用NMR在生物医学领域的应用最为广泛也最受关注，蛋白质等生 物大分子的三维结构和相互作用动力学的测定,以生物大分子为靶标 的药物筛选和药物分子结构优化，NM
8、R已成为蛋白质结构与功能研 究和药物研发的强有力的工具。新型NMR实验和各种同位素标记技 术的综合运用在解析蛋白复合物结构相互作用界面确定中及其它复 合物的研究中，往往能达到意想不到的效果，解析结构的上限提高 了一个数量级。NMR弛豫弥散技术(relaxation dispersion)是近年来蛋 白质动力学研究的重要进展之一，它通过改变自旋回波时间(CPMG) 来测量横向弛豫速率受到的化学交换或相互作用等慢过程的影响，用 于研究蛋白质中间态的结构和动力学过程。顺磁弛豫增强技术也是 近年来NMR领域的一大突破，它可以通过测定蛋白质的动态结构变 化，为复合物形成过程中低分布的激发态蛋白的存在提供
9、有力的结构 证据。用NMR技术可研究药物与蛋白质的相互作用，其中最著名的 是1996年Abbott实验室Shuker等人提出SAR-by-NMR的概念，即通过比 较加入药物前后的同位素标记蛋白质NMR谱图，来确定化合物是否 与蛋白质有相互作用，特别适合筛选结合较弱的药物。生物领域常用 NMR 方法包括转移 NOE (nuclear over-hauser effect, NOE)法、饱和转 移差谱STD法、Water-LOGSY法等。其中转移NOE法灵敏度较低，适 于测定离解常数在100nM与1mM之间的体系。STD是研究药物与蛋白 相互作用的非常普遍并行之有效的方法之一。近年来,它被用于检测
10、 药物8500kDa人源鼻病毒蛋rhinovirus(HRV2)的相互作用以及药物与 RNA的相互作用。它和魔角旋转(MAS)技术相结合，还可测定多糖与 固体麦胚凝集素的结合等等。近年来生物NMR发展迅速，新方法和新 技术层出不穷，研究领域不断扩展。核磁共振技术在医学临床的应用 已经成为新的研究热点。主要有脑内疾病检测，非损伤性核磁共振 胰胆管显像技术(MRCP)判断胰胆管疾病的方法。相对于X射线透视技 术和放射造影技术,MNR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 够对心、
11、肝等功能性反应进行精确的判定。在阿尔茨海默氏症、癌 症等疾病的诊断方面，核磁共振技术发挥了非常重要的作用。4. 核磁共振技术在食品分析检测中的应用面对食品业、食品加工、分析检测技术等的快速发展与需求， 核磁共振技术也应用于食品分析检测。如水分在食品中的含量、分 布和存在状态的差异会直接影响到食品的品质、加工特性和稳定性 等。NMR技术可以检测用不同温度冷冻食品过程水分迁移及水分含 量的变化。在进行脂肪分析时，NMR法可取代油脂质量控制实验室 中采用固体脂肪指数（SFI）分析方法唯一可行的、有潜在用途的仪 器分析方法，并且已经形成了国际标准。目前国内在这方面的研究 主要还集中在油料种子含油量的测
12、定方面，而在国外的应用得则较 为广泛。NMR技术在玻璃态转变研究中，聚合物由玻璃态转变为橡 胶态时，含有质子基团的运动频率增加，质子活动性也随之改变， 这些变化可由NMR所测的弛豫时间T1和T2来衡量。NMR技术在糖类 分析研究中主要集中在结构解析方面，包括糖残基数目、组成单糖 种类、端基构型、糖基连接方式和序列以及取代基团的连接位置等 都能测出来。NMR技术在食品品质鉴定中已经成为有机和无机化合 物的分子结构鉴定和研究的一种重要工具。同时，在定量分析中也 起到了重要的作用，因此，依据不同食品的某些特定参考标准， NMR技术在食品成分、品质的分析鉴定方面也得到了有效应用，包 括鉴别果蔬和谷物在
13、生长过程中及采摘后的内部品质、成熟度、内 部缺陷等，以及肉类、酒类、油脂类食品的原产地和品质优劣。还 包括在食品污染物的分析和农药残留、肉中同化剂的作用、氨基酸 的测定、食品中的平pH及氧化还原反应以及乳制品中微生物的测定 等方面的研究都开始迅速发展。5. 核磁共振在石油化工、陶瓷制作、航天方面的应用核磁共振技术除了在生物医药、食品领域中获得了广泛的应用 外，在化工领域中的应用也同样广泛。为了提高石油资源开发与石 油加工利用及评价。我国石油工程项目离不开核磁共振技术，该技 术在我国石油的分析探测项目中的应用越来越普遍。在石油勘测过 程中，通过分析石油地段岩石的核磁参数和石油储层物性参数两者 之
14、间的关系，进而求出储层石油藏量参数、渗透率和孔隙度等。核 磁共振和质谱等现代先进仪器的出现和应用，大大提高了我国石油 在加工利用上的效率和科技度。应用该技术能够分离鉴定出一些以 极低浓度存在的新型生物种类。如利用核磁共振技术确定从原油中 分离出来的一种新的三萜烷，它的结构为两顺一反的二杜松烷。依 据类属相同的原油具有相似的加工特性这一原理，测出原油中各种 成分的含量，可将原油分成相应的各大类为了提高高分子材料的性 能及产量。在生产过程中需要准确把握聚合物种溶剂的扩散特征、 聚合物均匀性、固态产物生长的空间取向等诸多于因素，这些高分 子材料的生产要求都给核磁共振技术提供了广阔的应用场所。金属 陶
15、瓷的生产过程中容易出现一些严重影响材料性能的砂眼，这也需 要采用核磁共振技术来检测。航天工业对火箭燃料的装填要求非常 苛刻，通过核磁共振技术可以准确探测固体燃料中的缺陷以及填充 物、推进剂、增塑剂的分布情况。另外，核磁共振技术还可在水环 境监测、工程无损检测等方面发挥着积极作用。6. 总结本文着重介绍了核磁共振技术基本原理及在生物医药、食品、 化工领域的相关应用，其实它在生命科学、材料检测、纺织检测、 水资源探查等很多领域都有广泛应用。在生物化学领域，该技术正受 到蛋白质化学、生物工程技术乃至生命科学的广泛重视。随着研究 对象复杂性的增加必将进一步推动核磁共振波谱学的发展。但是， NMR技术也
16、存在仪器造价昂贵和讯号分析具有专门性与复杂性等缺 点，且在实际应用中也还存在一些问题，有待于进一步深入研究， 这些都限制了此种仪器在各领域中的普及和新仪器的开发。然而， 从目前的研究现状来看，今后的研究主要集中在这几个方面，更深入 地研究NMR机理；在检测某些物质的结构和性质时，可以结合固相微 萃取、分子蒸馏等技术来克服该技术对样品质和量的要求；降低核 磁共振仪的造价和运转费，以推动该技术的广泛应用。参考文献1 张云.核磁共振技术的历史及应用J.科技信息,2010-05-252 高明珠.核磁共振技术及其应用进展J.信息记录材料,2011-06-153 姜凌,刘买利.核磁共振技术在生物研究中的应用J.物理,2011-06-12 Korzhnev D M, Religa T L, Banachewicz Wetal.Science,2010, 329-13126 赵桂生.核磁共振技术在医学临床的应用J.医院放射科,2011-04-057 于小波，沈文斌,相秉
