《有机波谱分析课件绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机波谱分析课件绪论（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、有机波谱分析第一章第一章 绪绪 论论l随随着着科科学学技技术术的的发发展展，新新的的仪仪器器分分析析方方法法不不断断出出现现，应应用用也也越越来来越越广广泛泛。近近二二十十年年来来，紫紫外外或或紫紫外外- -可可见见光光谱谱，红红外外光光谱谱，核核磁磁共共振振波波谱谱以及质谱等构成现代仪器分析的重要内容。以及质谱等构成现代仪器分析的重要内容。l这这些些方方法法与与经经典典的的分分析析方方法法相相比比不不仅仅具具有有快快速速、灵灵敏敏、准准确确等等优优点点，还还具具有有样样品品用用量量少少，不不破破坏坏样样品品等等优优点点，现现已已成成为为化化学学工工作作者者测测定定有有机机化化合合物物结结构构
2、及及定定性性、定定量量不不可可缺缺少少的的重重要要手手段段之一。之一。l人人们们通通常常将将UV（UV-vis），IR，NMR和和MS称称为为“波谱分析波谱分析”，也有称为有机仪器分析。，也有称为有机仪器分析。一波谱分析的发展一波谱分析的发展v由由于于近近代代物物理理学学，电电子子学学和和计计算算机机的的发发展展，产产生生了了许许多多新新的的仪仪器器分分析析方方法法，如如变变换换红红外外光光谱谱法法，脉脉冲冲变变换换核核磁磁共共振振，色色谱谱-质质谱谱联联用用等等大大型精密仪器并已应用于科研和生产中。型精密仪器并已应用于科研和生产中。v仪器实现了自动化、数字化、计算机化。仪器实现了自动化、数字
3、化、计算机化。v电电子子计计算算机机提提高高了了仪仪器器分分析析的的灵灵敏敏度度、准准确确度度和和分分辨辨率率，并并可可进进行行连连续续自自动动分分析析、自自动动检检索索等。等。v各各种种分分析析方方法法互互相相渗渗透透，联联用用。如如：具具有有高高度度分分离离能能力力的的气气相相色色谱谱、液液相相色色谱谱与与具具有有强强的的鉴鉴别别能能力力的的质质谱谱，红红外外光光谱谱联联用用，可可以以达达到到快快速速剖析样品，分析的目的。剖析样品，分析的目的。二波谱分析的内容：二波谱分析的内容：l波波谱谱分分析析主主要要包包括括：UV，IR，NMR和和MS。由由于于近近年年来来有有机机化化学学的的快快速速
4、发发展展，要要求求先先进进的的分分析析方方法法跟跟踪踪反反应应过过程程，确确定定化化合合物物结结构构以以及及定定性性、定定量量分分析析，因因而而自自然地形成了波谱分析的分析方法。然地形成了波谱分析的分析方法。三波谱分析的特点：三波谱分析的特点：快快速速：获获得得正正确确的的情情报报比比经经典典化化学学分分析方法快得多。析方法快得多。样样品品用用量量少少：一一般般只只需需几几微微克克到到几几十十毫克（一般毫克（一般5-20mg）。）。准确、重复性好。准确、重复性好。有机化合物结构鉴定有机化合物结构鉴定 与有机波谱学与有机波谱学结构鉴定结构鉴定:紫外可见光谱紫外可见光谱 (UV-VIS);红外（拉
5、曼）光谱红外（拉曼）光谱 (IR，Raman);质谱质谱 (MS); 核磁共振谱核磁共振谱 (NMR); X线衍射线衍射; 折射率折射率; 电诱导率电诱导率; 熔点熔点; UV -VIS ; IR(Raman); MS; NMR有机波谱学：有机波谱学：Characteristics of Important Spectrometric Methods H-1 C-13 MS IR/RAMAN UV-VIS ORD/CD X-RAYRadiation type RF RF IR UV to Vis UV to Vis X-raySpectral scale 0-15 0-220 50-4000
6、400-4000 200-800 185-600 Typical units ppm ppm amu cm-1 nm nmAverage sample 1mg 5mg 1mg 1mg 1mg 1mgMolecular formula Partial Partial Yes No No No YesFunctional groups Yes Yes Limited Yes Very limited Very limited YesSubstructures Yes limited Yes limited limited No YesCarbon connectivity Yes Yes No N
7、o No No YesSubstitute Yes Yes No Limited No No Yes regiochemistrySubstitute Yes Yes No Limited No No Yes stereochemistryAnalysis of Yes Yes Yes Yes No No Yesisomer mixtures (GC, LC/MS) (GC/IR) (if separate)Purity information Yes Yes Yes Yes Limited Limited LimitedSingle crystalSteps in establishing
8、a molecular structurePurecompound MolecularformulaFunctionalgroupsSubstructuresVery secure 3D molecularstructureUnsaturation numberWorking 2DstructuresList ofworking 2DstructuresNew 2DmolecularstructureKnownmolecularstructureReasonable 3D molecularstructureMS, NMRNMR, IRNMRUVX-RAYDereplicate by MFDr
9、aw all isomersDereplicateby structureNMRORDMolecularmodelingTotalsynthesisNMR, MS, IR,UV 波谱分析法被广泛地应用于各科研生产中，本波谱分析法被广泛地应用于各科研生产中，本校化学化工学院实验室具有：校化学化工学院实验室具有：HP6890/5973 GC/MS 产于美国产于美国PE公司公司GC-14B 产于日本岛津公司产于日本岛津公司HPLC 产于美国产于美国Waters公司公司FT-IR 产于美国产于美国PE, 伯乐公司伯乐公司UN-Vis 产于日本岛津公司产于日本岛津公司 参考书参考书：l1 回瑞华，侯冬岩
10、编著近代有机仪器分析吉林大学出版社l2Dudley H. Williams, M.A.Ph.D. Spectroscopic methods in organic chemistryl3 William L. Budde James W. Eichelberger Organics analiysis using gas chromatography/ Msss spectrometry-A techniques & procedures manual.l4姚新生等编著有机化合物波谱分析人民卫生出版社l5洪山海编著光谱解析法在有机化学中的应用 科学出版社l6陈耀祖编著有机分析 高等教育出版社l
11、7陈德恒等编著有机结构分析 科学出版社l8Siluer Stein.R.M 诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖享享有有世世界界最最高高荣荣誉誉，设设有有物物理理、化化学学、生生物物或或医医学学、文文学学和和和和平平五五项项奖奖。1901年年，瑞瑞典典皇皇家家科科学学学学院院成成立立，根根据据诺诺贝贝尔尔遗遗愿愿，诺诺贝贝尔尔奖奖金金委委员员会会首首次次颁颁奖奖。截截止止到到2003年年，诺诺贝贝尔尔奖奖的的颁颁发发已已有有一一百百多多年年的的历历史史了了。期期间间共共颁颁发发化化学学奖奖94次，次，8年因第一、二次世界大战末颁奖。年因第一、二次世界大战末颁奖。 从从最最近近几几十十年年来来诺诺贝贝尔尔化
12、化学学奖奖颁颁奖奖的的情情况况来来看看，化化学学科科学学逐逐渐渐出出现现了了和和生生命命科科学学相相融融合合的的趋趋势势。在在2020世世纪纪的的最最后后2525年年里里，诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖有有三三分分之之一一左左右右给给予予化化学学与与分分子子生生物物学学领领域域研研究究的的成成果果。其其中中大大部部分分获获得得项项目目往往往往直直接接或或间间接接地地在在波波谱谱分分析析方方面面获获得得了了突突破破，可可以以说说谁谁掌掌握握了了这这一一领领域域内内的的最最先先进进的的理理论论和和实实验验技技能能并并能能充充分分利利用用它它，谁谁就就有有可可能能在在这这一一领领域域处处于于领领先先地地位
13、位，如如：20022002年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖由由在在质质谱谱和和核核磁磁共共振振这这两两个个重重要要领领域域的的科科学学家家们们分分享享。获获奖奖者者，质质谱谱领领域域的的JohnJohnB BFenn Fenn 和和KoIchiKoIchi TanakaTanaka，核核磁磁共共振振领领域域的的Kort Kort WuthrichWuthrich，对对生生物物化化学学领领域域的的进进一一步步发发展展作作出出了了贡贡献献。把把波波谱谱分分析析测测试试手手段段和和设设计计合合成成方方法法应应用用于于生生命命科科学学领领域域中中的的物物质质组组成成和和结结构构的的分分析析、新新物物质质的
14、的设设计计与与合合成成以以及及生生命命活活动动的的反反应应机机理理的的研研究究，将将化化学学科科学学理理论论、技技术术和和生生命命科科学学技技术术、应应用用逐逐步步融融合合，将将是是未未来来一一个个非常重要的趋势和这两个学科发展的必然导向。非常重要的趋势和这两个学科发展的必然导向。 瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院于于10月月9日日宣宣布布，将将2002年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖授授予予美美国国科科学学家家约约翰翰芬芬恩恩(John BFenn)、日日本本科科学学家家田田中中耕耕一一(Koichi Tanaka)和和瑞瑞士士科科学学家家库库尔尔特特维维特特里里希希(Kurt Wuthrich)，
15、以以表表彰彰他他们们发发明明了了识识别别和和分分析析生生物物大大分分子子结结构构的的方方法法即即在在质质谱谱和和核核磁磁共振方面的贡献共振方面的贡献 。2002年诺贝尔化学奖简介年诺贝尔化学奖简介为什么要研究生物大分子为什么要研究生物大分子? ? 所所有有活活的的有有机机体体细细菌菌，植植物物和和动动物物都都包包含含有有相相同同类类型型的的大大分分子子，这这些些大大分分子子承承担担着着我我们们所所称称之之为为生生命命现现象象的的活活动动。细细胞胞内内发发生生的的活活动动由由核核酸酸(如如DNA)控控制制，核核酸酸可可以以称称之之为为细细胞胞的的指指挥挥者者，同同时时各各种种蛋蛋白白质质是是细细
16、胞胞内内活活动动的的最最主主要要的的参参与与者者。每每种种蛋蛋白白质质都都具具有有各各自自生生物物功功能能，并并可可能能会会随随着着所所处处环环境境的的变变化化而而改改变变。例例如如血血红红蛋蛋白白的的功功能能是是给给身身体体中中所所有有的的细细胞胞运运送送氧氧气气。蛋蛋白白质质研研究究本本身身并并不不新新鲜鲜，但但是是，蛋蛋白白质质组组成成学学，如如研研究究不不同同的的蛋蛋白白质质和和其其他他物物质质在在细细胞胞中中怎怎样样相相互互作作用用，是是一一个个比比较较新新的的研研究究领领域域，在在最最近近几几年年里里发发展展很很快快。随随着着越越来来越越多多有有机机体体基基因因序序列列作作图图的的
17、完完成成及及研研究究前前沿沿的的不不断断推推进进，新新的的问问题题出出现现了了：人人的的3万万多多个个基基因因是是怎怎样样编编码码成成千千上上万万种种不不同同的的蛋蛋白白质质的的。如如果果一一个个基基因因受受到到损损害害或或丢丢失失会会发发生生什什么么情情况况?老老年年痴痴呆呆症症或或疯疯牛牛病病这这样样的的疾疾病病是是怎怎样样产产生生的的?能能否否用用新新的的化化学学物物质质更更迅迅速速地地诊诊断断及及治治疗疗那那些些正正在在威威胁胁人人类类的的疾疾病病。为为了了能能够够解解决决这这样样一一些些问问题题，化化学学家家们们一一直直不不断断地地探探求求更更多多的的有有关关蛋蛋白白质质的的知知识识
18、，以以及及它它们们之之间间，它它们们和和细细胞胞中中其其他他分分子子是是如如何何共共同同发发挥挥功功能能的的。这这是是因因为为蛋蛋白白质质结结构构上上的的微微小小的的变变化化会会决决定他们的功能。定他们的功能。生物大分子革命性的分析方法生物大分子革命性的分析方法 质质谱谱是是根根据据质质量量迅迅速速鉴鉴定定一一个个物物质质。这这一一技技术术很很久久以以来来被被化化学学家家们们用用来来分分析析小小分分子子和和中中等等大大小小的的分分子子，这这个个方方法法非非常常灵灵敏敏，以以至至于于每每种种含含量量极极微微的的分分子子都都有有可可能能被被检检测测到到。毒毒品品和和药药物物的的检检测测、食食品品控
19、控制制和和环环境境分分析析等等都都是是目目前前常常规规使使用用质质谱技术的领域。谱技术的领域。质谱鉴定分子的方法 质质谱谱技技术术早早在在十十九九世世纪纪末末就就出出现现了了，最最早早用用于于小小分分子子分分析析是是由由 Joseph J. Thompson 在在1912年年报报道道的的。二二十十世世纪纪有有许许多多诺诺贝贝尔尔奖奖直直接接依依赖赖于于质质谱谱分分析析。例例如如，Harold Urey 发发现现氘氘(获获得得1934年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖)，富富勒勒烯烯，“足足球球碳碳”的的发发现现使使Robert Carl, Sir Harold Kroto和和 Richard Sma
20、lley 获获得得1996年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖。将将质质谱谱用用于于大大分分子子分分析析这这一一目目标标同同样样长长期期吸吸引引着着科科学学家家们们。二二十十世世纪纪70年年代代，在在气气相相中中将将大大分分子子转转化化为为离离子子获获得得了了许许多多成成功功，这这种种技技术术称称为为“解解吸吸”技技术术，形形成成了了在在过过去去二二十十年年里里这这一一领领域域革革命命的的基基础础。大大分分子子相相对对于于其其它它分分子子来来说说或或许许是是大大的的，但但是是在在这这里里我我们们还还是是认认为为它它具具有有小小的的不不可可思思议议的的结结构构。例例如如血血红红蛋蛋白白分分子子，它它的的
21、质质量量是是10-19克克，如如何何去去称称这这么么小小的的重重量量。秘秘诀诀就就是是使使单单个个的的蛋蛋白白质质分分子子与与其其它它分分子子分分离离，扩扩散散成成一一簇簇自自由由飞飞行行、带带电电的的蛋蛋白白质质离离子子。接接下下来来测测量量这这些些离离子子的的质质量量并并因因此此而而鉴鉴定定这这个个蛋蛋白白质质的的常常用用方方法法是是让让它它们们在在一一个个真真空空室室内内加加速速并并测测量量它它们们的的飞飞行行时时间间。它它们们按按顺顺序序到到达达目目的的地地，这这一一顺顺序序是是由由它它们们的的电电荷荷和和它它们们的的质质量量决决定定的的，最最快快到到达达的的是是那那些些最最轻轻的的，
22、带有最高电荷的离子。带有最高电荷的离子。 目目前前，有有两两种种原原理理可可以以使使蛋蛋白白质质在在不不破破环环结结构构和和构构型型的的状状态态下下转转移移到到气气相相，正正是是这这些些方方法法背背后后的的发发现现将要共同获得诺贝尔化学奖金的一半。将要共同获得诺贝尔化学奖金的一半。 其其中中一一个个由由John BFenn发发明明的的方方法法中中，样样品品由由很很强强的的电电场场导导致致喷喷雾雾并并产产生生小小的的，带带电电荷荷的的自自由由飞飞行行的离子。的离子。 另另一一种种方方法法是是用用一一束束强强激激光光脉脉冲冲使使样样品品离离子子化化。如如果果处处在在合合适适的的条条件件下下(如如能
23、能量量，样样品品的的结结构构和和化化学学环环境境)，分分子子吸吸收收部部分分激激光光脉脉冲冲能能量量并并成成为为自自由由离离子子被被释释放放。第第一一个个表表明明这这种种“软软激激光光解解吸吸”现现象象可可能能被被用于分析蛋白质这样的大分子的是用于分析蛋白质这样的大分子的是KoIchi Tanaka。 在在19881988年年，John John B BFennFenn发发表表了了两两篇篇有有关关大大分分子子的的电电喷喷雾雾现现象象的的论论文文，对对质质谱谱技技术术具具有有突突破破性性意意义义。在在第第一一篇篇论论文文里里，对对未未知知质质量量的的聚聚乙乙二二醇醇的的分分析析表表明明这这一一方
24、方法法可可以以使使大大分分子子带带高高电电荷荷。第第二二篇篇文文章章报报道道了了用用这这一一方方法法分分析析中中等等大大小小的的完完整整蛋蛋白白质质。离离子子的的产产生生是是通通过过电电场场使使样样品品喷喷雾雾形形成成带带电电液液滴滴，随随着着水水分分子子逐逐渐渐从从液液滴滴蒸蒸发发，仅仅留留下下“光光秃秃秃秃”自自由由飞飞行行的的蛋蛋白白质质分分子子。这这一一方方法法被被称称为为电电喷喷雾雾离离子化子化( (ESI)ESI)。 当当分分子子带带有有很很强强的的电电荷荷时时，质质量量电电荷荷比比变变得得很很小小，这这样样该该物物质质就就可可以以用用普普通通的的质质谱谱仪仪进进行行分分析析。另另
25、一一个个好好处处是是同同一一个个分分子子会会产产生生一一系系列列峰峰，因因为为每每一一个个峰峰都都带带有有不不同同数数目目的的电电荷荷。虽虽然然这这一一复复杂杂的的谱谱图图在在最最初初使使研研究究者者深深感感迷迷惑，但它给出的信息使鉴定更容易了。惑，但它给出的信息使鉴定更容易了。 John BFenn的贡献：的贡献：(通过喷雾飞行通过喷雾飞行) 与与此此同同时时，在在日日本本京京都都岛岛津津仪仪器器公公司司，一一个个年年轻轻的的日日本本工工程程师师报报道道了了一一种种完完全全不不同同的的技技术术进进行行了了这这一一研研究究。即即在在1987年年的的一一个个讨讨论论会会及及1988年年发发表表的
26、的论论文文中中，表表述述了了蛋蛋白白质质分分子子应应该该可可以以通通过过软软激激光光解解吸吸(SLD)的的方方法法被被离离子子化化。一一束束激激光光脉脉冲冲打打在在样样品品上上，与与喷喷雾雾的的方方法法不不同同样样品品是是处处在在固固相相或或粘粘液液相相中中，当当样样品品从从激激光光脉脉冲冲中中吸吸收收能能量量，被被爆爆破破成成很很小小的的单单位位，分分子子一一个个接接一一个个被被释释放放，以以带带低低电电荷荷的的完完整整的的分分子子离离子子形形式式飞飞行行，这这些些离离子子被被一一个个电电场场加加速速并并用用上上面面提提到到的的记记录录它它们们的的飞飞行行时时间间的的方方式式检检测测。Tan
27、aka第第一一个个报报道道了了激激光光技技术术对对生生物物大大分分子子分分析析应应用用的的可可能能性性。这这一一原原理理是是今今天天多多种种有有力力的的激激光光解解吸吸方方法法的的基基础础，特特别别是是简简称称为为MALDI(基基质质辅辅助助激激光光解解吸吸离离子子化化)，SELDI(表表面增强激光解吸离子化面增强激光解吸离子化)，DLOS(直接芯片离子化直接芯片离子化)的技术。的技术。Tanaka的贡献：的贡献：(通过爆破飞行通过爆破飞行) 电电喷喷雾雾离离子子化化和和软软激激光光解解吸吸都都有有许许多多应应用用领领域域。复复杂杂的的生生化化分分析析在在几几年年前前还还只只是是梦梦想想，而而
28、现现在在已已经经成成为为可可能能。研研究究蛋蛋白白质质的的相相互互作作用用对对了了解解生生命命中中的的信信号号系系统统是是非非常常重重要要的的，这这种种非非共共价价生生物物分分子子复复合合物物可可用用 ESI 分分析析，这这一一方方法法在在速速度度、灵灵敏敏度度和和鉴鉴别别实实际际的的相相互互作作用用方方面面都都优优于于其其他他方方法法，使使得得这这一一技技术术迅迅速速在在世世界界各各地地的的实实验验室室传传播播。今今天天，软软激激光光解解吸吸(以以MALDI的的形形式式)和和电电喷喷雾雾已已经经成成为为多多肽肽、蛋蛋白白质质和和糖糖结结构构分分析析的的标标准准方方法法。这这使使得得迅迅速速分
29、分析析完完整整细细胞胞和和活活组组织织中中的的蛋蛋白白质质成成为为可可能能。下下面面一一些些当当前前研研究究领领域域内内的的例例子子描绘了描绘了2002年诺贝尔奖产生的应用的多样性。包括：年诺贝尔奖产生的应用的多样性。包括：质谱的应用质谱的应用药物开发：药物开发： 药药物物开开发发的的早早期期阶阶段段已已经经发发生生了了变变化化。与与液液相相分分离离相相结结合合 ESIMS使每天分析几百个物质成为可能。使每天分析几百个物质成为可能。疟疾：疟疾： 科科学学家家最最近近发发现现了了研研究究疟疟疾疾传传播播的的新新方方法法。由由于于软软激激光光解解吸吸方方法法的的出出现现使使早早期期诊诊断断成成为为
30、可可能能，在在这这里里携携氧氧的的血血红红蛋蛋白白被被用用来吸收激光脉冲能量。来吸收激光脉冲能量。卵巢癌，乳癌和前列腺癌：卵巢癌，乳癌和前列腺癌： 在在过过去去几几年年中中，不不断断有有用用于于各各种种不不同同类类型型癌癌症症早早期期诊诊断断的的新新方方法法的的报报道道。通通过过使使用用粘粘附附有有肿肿瘤瘤分分子子的的表表面面并并用用SLD分分析析技技术，术，“化学家化学家”能够比医生更早发现癌症。能够比医生更早发现癌症。食品控制：食品控制： ESI 技术同样使小分子分析向前发展，我们已经知道，我们所技术同样使小分子分析向前发展，我们已经知道，我们所吃的食品的制备过程会产生许多对健康有害的物质
31、，例如丙烯吃的食品的制备过程会产生许多对健康有害的物质，例如丙烯酰胺会导致癌症。使用质谱技术，食品在各种不同的生产阶段酰胺会导致癌症。使用质谱技术，食品在各种不同的生产阶段都可以进行分析，通过改变温度和配方，有害物质可以被避免都可以进行分析，通过改变温度和配方，有害物质可以被避免或减少。或减少。 质质谱谱能能够够回回答答诸诸如如“是是什什么么”和和“有有多多少少种种”蛋蛋白白质质这这样样的的问问题题，而而核核磁磁共共振振则则回回答答这这种种蛋蛋白白质质“是是什么样子什么样子”的问题。的问题。 对对任任何何一一种种显显微微镜镜而而言言，即即使使是是最最大大的的蛋蛋白白质质都都显显得得太太小小而而
32、不不能能获获得得足足够够的的分分辨辨率率。因因此此，要要想想能能够够获获得得一一个个蛋蛋白白质质真真正正的的图图像像，必必须须采采用用其其他他手手段段。核核磁磁共共振振就就是是这这样样一一种种方方法法。通通过过对对核核磁磁共共振振谱谱图图中中的的谱谱峰峰进进行行解解释释，人人们们可可以以得得到到所所研研究究的的分分子子的的三三维维结结构构。核核磁磁共共振振所所用用的的样样品品是是处处于于溶溶液液状状态态，类类似似于于蛋蛋白质在细胞内的环境。白质在细胞内的环境。核磁共振在生物大分子中的应用核磁共振在生物大分子中的应用 早早在在1945年年，物物理理学学家家 Felix 和和Edward Purc
33、ell 就就发发现现把把有有些些原原子子核核放放在在强强磁磁场场下下，由由于于所所谓谓核核自自旋旋的的作作用用，它它们们能能够够吸吸收收特特定定波波长长的的电电磁磁波波，即即发发生生共共振振。这这项项发发现现使使他他们们赢赢得得了了1952年年的的诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖。随随后后，人人们们发发现现核核共共振振的的频频率率不不仅仅依依赖赖于于磁磁场场的的强强度度和和原原子子类类别别，还还依依赖赖于于原原子子所所处处的的环环境境。而而且且，不不同同核核的的核核自自旋旋能能够够相相互互影影响响，从从而而产产生生精精细细结结构构，即即在在核核磁磁共共振振谱谱图图中中产产生生更更多多的的谱谱峰峰。
34、最最初初，核核磁磁共共振振的的应应用用受受到到其其低低灵灵敏敏度度的的限限制制，因因而而需需要要浓浓度度极极高高的的样样品品。但但是是在在1966年年，瑞瑞士士化化学学家家Richard Ernst(1991年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖得得主主)认认为为，如如果果用用非非常常短短而而强强的的射射频频脉脉冲冲来来照照射射样样品品，以以取取代代缓缓慢慢改改变变照照射射频频率率的的方方法法，将将会会极极大大地地提提高高灵灵敏敏度度。在在上上世世纪纪70年年代代，他他还还在在发发展展核核磁磁共共振振方方法法学学上上作作出出了了贡贡献献，如如寻寻找找怎样确定分子中相邻核怎样确定分子中相邻核(例如由化学键
35、相连的原子例如由化学键相连的原子)的方法。的方法。 通通过过对对核核磁磁共共振振谱谱图图中中的的信信号号进进行行解解释释，人人们们能能够够获获得得分分子子结结构构的的信信息息。这这种种方方法法被被成成功功地地应应用用于于小小分分子子。但但对对大大分分子子而而言言，要要想想将将不不同同原原子子核核的的共共振振信信号号区区分分开开来来是是非非常常困困难难的的。一一张张大大分分子子的的核核磁磁共共振振谱谱图图有有数数千千个个谱谱峰峰，看看起起来来就就象象一一片片片片的的草草坪坪，根根本本不不能能确确定定哪哪个个峰峰属属于于哪哪个个原原子子。最终解决这个问题的科学家是瑞士的化学家最终解决这个问题的科学
36、家是瑞士的化学家Kurt Wuthrich。 在在2020世世纪纪8080年年代代初初，Kurt Kurt WuthrichWuthrich发发展展了了一一套套怎怎样样将将核核磁磁共共振振方方法法延延伸伸到到生生物物大大分分子子领领域域的的思思路路。他他发发明明了了一一套套系系统统方方法法：将将每每一一个个核核磁磁共共振振信信号号与与大大分分子子中中的的氢氢核核( (质质子子) )一一一一对对应应起起来来。这这种种方方法法叫叫做做“序序列列指指认认”，目目前前已已经经成成为为所所有有核核磁磁共共振振结结构构研研究究的的基基石石。他他还还指指出出了了怎怎样样能能够够在在大大量量质质子子中中确确定
37、定每每一一对对质质子子间间的的距距离离。利利用用这这些些信信息息，通通过过基基于于距距离离几几何何的的一一种种数数学学方方法法，就就能能够够计计算算分分子子的的三三维维结结构构。19851985年年，利利用用KurtKurt Wuthrich Wuthrich 的的方方法法确确定定了了第第一一个个蛋蛋白白质质的的结结构构。到到目目前前为为止止，在在上上万万个个已已知知的的蛋蛋白白质质结结构构中中，有有大大约约15201520的的结结构构是是由由核核磁磁共共振振方方法法确确定定的的。其其他他的的结结构构则则主主要要是是由由X-X-射射线线晶晶体体学学方方法法确确定定的的，只只有很少几个是由其它方
38、法如电子衍射或中子衍射确定的。有很少几个是由其它方法如电子衍射或中子衍射确定的。 Kurt Wuthrich使核磁共振使核磁共振应用于蛋白质成为可能应用于蛋白质成为可能 在在许许多多方方面面，核核磁磁共共振振都都能能对对X射射线线晶晶体体学学结结构构测测定定进进行行补补充充。如如果果对对同同一一种种蛋蛋白白质质用用两两种种方方法法进进行行研研究究，一一种种在在溶溶液液状状态态，一一种种在在结结晶晶状状态态，通通常常可可以以得得到到相相同同的的结结果果，只只是是在在一一些些受受环环境境影影响响的的表表面面区区域域二二者者有有不不同同。这这些些区区域域在在晶晶体体中中受受到到紧紧密密堆堆积积的的临
39、临近近蛋蛋白白质质分分子子的的影影响响，而而在在溶溶液液中中则则受受到到周周围围溶溶剂剂分分子子的的影影响响。X射射线线晶晶体体学学的的能能力力体体现现在在能能够够精精确确测测定定相相当当大大的的分分子子的的三三维维结结构构，而而核核磁磁共共振振则则有有另另外外一一些些独独特特的的优优势势。在在溶溶液液中中进进行行研研究究就就意意味味着着可可以以模模拟拟生生理理条条件件。核核磁磁共共振振的的一一项项特特殊殊能能力力就就是是可可以以研研究究分分子子中中无无结结构构的的和和非非常常活活动动的的部部分分，因因而而可可以以阐阐明明分分子子的的运运动动性性、动动力力学学以以及及这这些些特特性性在在蛋蛋白
40、白质质链链中中各各部部分分的的差差异异。对对蛋蛋白白质质进进行行稳稳定定同同位位素素标标记记也也有有助助于于确确定定分分子子结结构构。用用核核磁磁共共振振确确定定的的蛋蛋白白质质结结构构的的一一个个例例子子就就是是：与与一一系系列列危危险险疾疾病病(如如疯疯牛牛病病)的的发发展展相相关关的的阮阮病病毒毒蛋蛋白白(Stanley Prusiner 因因此此获获得得1997年年诺诺贝贝尔尔医医学学奖奖)。和和他他的的同同事事们们利利用用核核磁磁共共振振对对该该蛋蛋白白的的研研究究结结果果表表明明，正正常常形形态态的的阮阮病病毒毒蛋蛋白白由由两两部部分分构构成成。在在水水溶溶液液中中，其其中中大大约
41、约一一半半的的蛋蛋白白链链形形成成一一个个有有序序的的、相相当当刚刚性性的的三三维维结结构构，而而另另一一半半则则没没有有任任何何结结构构而而且且非非常常活活动动。核核磁磁共共振振还还能能用用来来研研究究其其它它生生物物大大分分子子如如 DNA和和 RNA 的的结结构构和和动动力学。力学。 在制药工业中，核磁共振还被用来确定在制药工业中，核磁共振还被用来确定潜在靶潜在靶蛋蛋白质分子的结构和性质。新设计的药物分子要能够与白质分子的结构和性质。新设计的药物分子要能够与蛋白质的结构相配合，就象钥匙和锁那样。也许核磁蛋白质的结构相配合，就象钥匙和锁那样。也许核磁共振在工业中最重要的用途是用来寻找能够与
42、指定生共振在工业中最重要的用途是用来寻找能够与指定生物大分子相互作用的潜在小分子药物。如果小分子能物大分子相互作用的潜在小分子药物。如果小分子能够与大分子作用，那么大分子的核磁共振谱图通常就够与大分子作用，那么大分子的核磁共振谱图通常就会发生变化。用这种方法可以在新药研发的早期对大会发生变化。用这种方法可以在新药研发的早期对大量的候选药物分子进行量的候选药物分子进行“筛选筛选”。 我我们们把把100多多年年来来诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖的的获获奖奖项项目目进进行行了了分分类类整整理理和和统统计计分分析析，从从中中可可以以看看到到波波谱谱分分析析在在化化学学、生生物物研研究究领领域域内内的的发发展
43、展中中的的作作用用。直直接接或或间间接地与波谱分析相关的获奖项目如下：接地与波谱分析相关的获奖项目如下： 波谱分析与诺贝尔化学奖波谱分析与诺贝尔化学奖1902 HERMANN EMIL FISCHER(1852-1919,德德国国柏柏林林大大学学)他他在在糖糖和和嘌嘌呤呤衍衍生生物物合合成成上上的的特特殊殊贡贡献献得到认可。得到认可。1907 EDUARD BUCHNER(1860-1917,德德国国柏柏林林农农业业大大学学)因因为为他他的的生生物物化化学学研研究究和和发发现现无无细细胞胞发发酵酵现象。现象。1915 RICHARD MARTIN WILLSTATTER(1872-1942,德
44、德国国慕慕尼尼黑黑大大学学)因因为为他他在在植植物物色色素素，特特别别是叶绿素方面的研究。是叶绿素方面的研究。1918 F. HABER(1868-1934,德德国国Kaiser-Wilhelm 研研究究所所)因为他发明了工业合成氨的方法。因为他发明了工业合成氨的方法。1923 FRITZ PREGL(1869-1930,奥奥地地利利Graz大大学学) 因因为他发明了有机化合物的微量分析方法。为他发明了有机化合物的微量分析方法。1926 THE(THEODOR) SVEDBERG(1884-1971,瑞瑞 典典Uppsala大学大学)因为他在分离体系方面的研究。因为他在分离体系方面的研究。19
45、27 H. O. WIELAND(1877-1957,德德国国慕慕尼尼黑黑大大学学)因因为为他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究。他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究。1928 ADOLF OTTO REINHOLD WINDAUS(1876-1959,德德国国Goettingen 大大学学)表表彰彰他他在在研研究究固固醇醇类类成成分及其与维生素关系上作出的贡献。分及其与维生素关系上作出的贡献。1929 Sir ARTHUR HARDEN(1865-1940,英英国国伦伦敦敦大大学学)、HANS KARL AUGUST SIMON VON EULER-CHELPIN (1873-1964, 瑞瑞典
46、典斯斯德德哥哥尔尔摩摩大大学学)因因为为他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。1930 S. FISCHER(1881-1945,德德国国慕慕尼尼黑黑技技术术研研究究所所)因因为为他他在在血血红红素素成成分分和和叶叶绿绿素素成成分分方方面面的的研研究究，特特别别是在血红素合成上的贡献。是在血红素合成上的贡献。1937 Sir WALTER NORMAN HAWORTH(1883-1950,英英国国伯伯明明翰翰大大学学)因因为为他他在在碳碳水水化化合合物物和和维维生生素素C方方面面的的研研究究；PAUL KARRER(1889-1971,瑞瑞士士苏苏黎黎世世大大学学
47、)因因为为他他在在类类胡胡萝萝卜卜素素、核核黄黄素素、维生素维生素A和和B2方面的研究。方面的研究。1938 RICHARD KUHN(1900-1967,德德国国海海德德堡堡大大学学和和德德国国Kaiser-Wilhelm研研究究所所)表表彰彰他他在在类类胡胡萝萝卜素和维生素方面的研究。卜素和维生素方面的研究。1939 ADOLF FRIEDRICH JOHANN BUTE-NANDT(1903-1995,德德国国柏柏林林大大学学和和德德国国Kaiser-Wilhelm研研究究所所)表表彰彰他他在在性性激激素素方方面面的的工工作作；LEOPOLD RUZICKA(1887-1976,瑞瑞士士
48、联联邦邦技技术术研研究究所所)表表彰彰他他在在聚聚亚亚甲甲基基和和高高级级萜萜烯烯方方面面的的工工作。作。1943 GEORGE DE HEVESY(1885-1966, 瑞瑞典典斯斯德德哥哥尔尔摩摩大大学学)表表彰彰他他在在利利用用同同位位素素作作为为化化学学研研究究中中的示踪原子方面的工作。的示踪原子方面的工作。1945 ARTTURI ILMARI VIRTANEN(1895-1973,芬芬兰兰赫赫尔尔辛辛基基大大学学) 表表彰彰他他在在农农业业和和营营养养化化学学，特别是饲料保藏方法方面的研究和发明。特别是饲料保藏方法方面的研究和发明。1946 JAMES BATCHELLER SUM
49、NER(1887-1955,美美国国Cornell大大学学)因因为为他他发发现现了了酶酶能能够够结结晶晶；JOHN HOWARD NORTHROP(1891-1987,美美国国洛洛 克克 菲菲 勒勒 医医 学学 研研 究究 所所 )、 WENDELL MEREDITH STANLEY(1904-1971,美美国国洛洛克克菲菲勒勒医医学学研研究究所所) 因因为为他他们们制制备备了了纯纯净净状状态态的的酶酶和病毒蛋白质。和病毒蛋白质。1947 Sir ROBERT ROBINSON(1886-1975,英英国国牛牛津津大大学学)表表彰彰他他在在有有关关植植物物产产品品的的生生物物价价值值，特特别别
50、是在生物碱价值方面的研究。是在生物碱价值方面的研究。 1948 ARNE WILHELM KAURIN TISELIUS(1902-1971,瑞瑞典典Uppsala大大学学)表表彰彰他他在在电电泳泳和和吸吸附附分分析析方方面面的的研研究究，特特别别是是在在血血清清蛋蛋白白的的复复杂杂性性上上的的发现。发现。1952 ARCHER JOHN PORTER MARTIN(1910-,英英国国国国立立医医学学研研究究所所)、RICHARD LAU-RENCE MILLINGTON SYNGE(1914-1994,英英国国Rowett研究所研究所)因为他们发明了分配色谱法。因为他们发明了分配色谱法。1
51、953 HERMANN STAUDINGER(1881-1965,德德 国国Freiburg大大学学和和国国立立大大分分子子化化学学研研究究所所) 因因为为他他开创了大分子化学研究领域。开创了大分子化学研究领域。1954 LINUS CARL PAULING(1901-1994,美美国国加加州州理理工工学学院院) 表表彰彰他他在在有有关关化化学学键键本本质质及及其其应应用用于于解解释复合物结构方面的研究。释复合物结构方面的研究。1955 VINCENT DU VIGNEAUD(1901-1978,美美 国国Cornell大大学学) 表表彰彰他他对对在在生生化化方方面面具具有有重重要要性性的的硫
52、化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。硫化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。1957 Lord ALEXANDER R TODD(1907-1997,英英国国剑剑桥桥大大学学)表表彰彰他他在在研研究究核核苷苷酸酸和和核核苷苷酸酸辅辅酶酶上上的的成绩。成绩。1958 FREDERICK SANGER(1918-,英英国国剑剑桥桥大大学学)表表彰彰他他在在蛋蛋白白质质结结构构，特特别别是是胰胰岛岛素素结结构构方方面面的的工工作。作。1961 MELVIN CADVIN(1911-,美美国国加加州州大大学学)表表彰彰他他在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩。在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩
53、。1962 MAX FERDINAND PERUTZ(1914-,英英国国剑剑桥桥分分子子生生物物学学实实验验室室)、Sir JOHN COWDERY KENDREW(1917-1997, 英英国国剑剑桥桥分分子子生生物物学学实实验验室室)表表彰彰他他们们在在研研究究球球蛋蛋白白结结构构上上取取得得的的成成绩。绩。1964 DOROTHY CROWFOOT HODGKIN(1910-1994,英英国国皇皇家家协协会会，牛牛津津大大学学)因因为为她她用用X射射线线技术来确定重要生化物质的结构。技术来确定重要生化物质的结构。1970 LUIS F LELOIR(1906-1987,阿阿根根廷廷布布
54、宜宜诺诺斯斯艾艾利利斯斯生生物物化化学学研研究究所所)因因为为他他发发现现了了糖糖核核苷苷酸酸及其在碳水化合物生物合成中的作用。及其在碳水化合物生物合成中的作用。1972 CHRISTIAN B ANFINSEN(1916-1995,美美国国国国立立卫卫生生研研究究院院)因因为为他他在在核核糖糖核核酸酸酶酶，特特别别是是氨氨基基酸酸序序列列和和生生物物活活性性结结构构之之间间的的联联系系上上的的研研究究；STAN-FORD MOORE(1913-1982,美美国国洛洛克克菲菲勒勒大大学学)、WILLIAM H STEIN(1911-1980, 美美国国洛洛克克菲菲勒勒大大学学)表表彰彰他他们们
55、对对核核糖糖核核酸酸酶酶分分子子活活性性中中心心的的化化学学结结构与催化活动之间关系的认识。构与催化活动之间关系的认识。1975 Sir JOHN WARCUP CORNFORTH(1917-,英英国国Sussex大大学学)表表彰彰他他在在酶酶催催化化反反应应的的立立体体化化学学方方面面的的研研究究；VLADIMIR PRELOG(1906-,瑞瑞士士工工业业大大学学)表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。 1978 PETER D. MITCHELL(1920-1992,英英国国格格林林研研究究所所)表表彰彰他他通通过过化化学学渗渗透透理理论论公
56、公式式来来认认识识生生物物能能量量转移过程。转移过程。1980 PAUL BERG(1926-,美美国国斯斯旦旦福福大大学学)因因为为他他对对核核酸酸生生化化特特性性的的基基础础研研究究，特特别别是是对对重重组组DNA的的研研究究；WALTER GILBERT(1932-,美美国国坎坎布布里里奇奇生生物物实实验验室室)、FREDERICK SANGER(1918-,英英国国剑剑桥桥医医学学研研究究协协会会分分子子生生物物学学实实验验室室)因因为为他们在核酸碱基序列确定方面的贡献。他们在核酸碱基序列确定方面的贡献。 1982 Sir AARON KLUG(1926-,英英国国剑剑桥桥医医学学研研
57、究究协协会会分分子子生生物物学学实实验验室室)因因为为他他开开发发了了电电子子显显微微镜镜晶晶体体图图，并并且且在在结结构构上上阐阐述述核核酸酸-蛋蛋白白质质复复合合体体在生物学中的重要性。在生物学中的重要性。1984 ROBERT BRUCE MERRIFIELD(1921-,美美国国洛洛克菲勒大学克菲勒大学)因为他开发了化学固相合成方法。因为他开发了化学固相合成方法。1988JOHANN DEISENHOFER(1943-,联联 邦邦 德德 国国 Howard Hughes 医医学学研研究究所所和和美美国国德德克克萨萨斯斯大大学学西西南南医医学学中中心心生生物物化化学学研研究究室室)、RO
58、BERT HUBER(1937-,联联邦邦德德国国马马普普生生物物化化学学学学院院) 、HARTMUT MICHEL(1948,联联邦邦德德国国马马普普生生物物物物理理学学学学院院)表表彰彰他他们们对对光光合合反反应应中中心心的的三三维维结结构的确定。构的确定。1989SIDNEY ALTMAN(1939-,美美国国耶耶鲁鲁大大学学)、THOMAS R CECH(1947-,美美国国科科罗罗拉拉多多大大学学)表表彰彰他他们们发发现现了了RNA的催化特性。的催化特性。 1991RICHARD R ERNST(1933-,瑞瑞士士工工业业大大学学)表表彰彰他他在在高高分辨核磁共振波谱学分析方法的发
59、展上作出的贡献。分辨核磁共振波谱学分析方法的发展上作出的贡献。1993KARY B MULLIS(1944-,美美国国加加州州拉拉霍霍亚亚)表表彰彰他他发发明明了了PCR(聚聚合合酶酶链链式式反反应应)方方法法；MICHAEL SMITH(1932-,加加拿拿大大温温哥哥华华大大不不列列颠颠哥哥伦伦比比亚亚大大学学)表表彰彰他他对对建建立立寡寡核核苷苷酸酸碱碱基基位位点点直直接接突突变变并并且且用用以以研研究究蛋蛋白白质质方方面面所所作作的的重要贡献重要贡献。1997 PAUL D BOYER(1918-,美美国国加加州州大大学学) 、JOHN E WALKER(英英国国剑剑桥桥医医学学研研究
60、究协协会会分分子子生生物物学学实实验验室室)因因为为他他们们阐阐明明了了催催化化ATP合合成成的的酶酶学学机机制制；JENS C SKOU(1918-,丹丹麦麦Aarhus大大学学 )因因 为为 他他 第第 一一 个个 发发 现现 离离 子子 转转 运运 酶酶 ,Na+,K+-ATPase。 2001 WILLIAM S KNOWLES(1917-,美美国国密密苏苏里里州州孟孟山山都都公公司司) 、RYOJI NOYORI(1938-,日日本本名名古古屋屋大大学学)因因为为他他们们发发现现手手性性催催化化的的还还原原反反应应；K BARRY SHARPLESS(1941-,美美国国Scripps研研究究所所)因为他发现手性催化的氧化反应。因为他发现手性催化的氧化反应。2002 JohnBFenn（美美国国）， KoIchi Tanaka（日日本本）， Kort Wuthrich（瑞瑞士士）质质谱谱与与核核磁磁共共振振技术加快了生命科学研究的步伐。技术加快了生命科学研究的步伐。
