核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)醫(yī)學科術(shù)語01概念工作原理發(fā)展歷史學科分支目錄03020405相關(guān)科研及成果NMR發(fā)展動向在生物研究上的應用目錄0706基本信息核磁共振技術(shù)可以直接研究溶液和活細胞中相對分子質(zhì)量較小(20，000道爾頓以下)的蛋白質(zhì)、核酸以及其它分子的結(jié)構(gòu)，而不損傷細胞。與此同時，其可以解決蛋白質(zhì)、DNA/RNA、碳水化合物的結(jié)構(gòu)，可以鑒定動態(tài)特征。概念概念核磁共振，是指核磁矩不為零的原子核，在外磁場的作用下，核自旋能級發(fā)生塞曼分裂（ZeemanSplitting），共振吸收某一特定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振信號是大量核的貢獻的總和。受激輻射和受激吸收

的幾率相同，此外，在射頻場作用下的凈躍遷由上下能級的布居數(shù)之差決定。發(fā)展歷史發(fā)展歷史核磁共振技術(shù)的歷史1930年代，物理學家伊西多·拉比發(fā)現(xiàn)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(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎

。1946年兩位美國科學家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對核磁共振現(xiàn)象的認識。為此他們兩人獲得了1950年度諾貝爾物理學獎。工作原理工作原理核磁共振的基本原理是：原子核有自旋運動，在恒定的磁場中，自旋的原子核將繞外加磁場作回旋轉(zhuǎn)動，叫進動(precession)。進動有一定的頻率，它與所加磁場的強度成正比。如在此基礎上再加一個固定頻率的電磁波，并調(diào)節(jié)外加磁場的強度，使進動頻率與電磁波頻率相同。這時原子核進動與電磁波產(chǎn)生共振，叫核磁共振。核磁共振時，原子核吸收電磁波的能量，記錄下的吸收曲線就是核磁共振譜(NMR-spectrum)。由于不同分子中原子核的化學環(huán)境不同，將會有不同的共振頻率，產(chǎn)生不同的共振譜。記錄這種波譜即可判斷該原子在分子中所處的位置及相對數(shù)目，用以進行定量分析

及分子量的測定，并對有機化合物進行結(jié)構(gòu)分析。學科分支學科分支核磁共振技術(shù)主要有兩個學科分支：核磁共振波譜（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy）和磁共振成像（MagneticResonanceImaging，簡稱MRI

）。核磁共振波譜技術(shù)是基于化學位移理論發(fā)展起來的，主要用于測定物質(zhì)的化學成分和分子結(jié)構(gòu)。磁共振成像技術(shù)誕生于1973年，它是一種無損測量技術(shù)，可以用于獲取多種物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖象。由于核磁共振可獲取的信息豐富，因此應用領域十分廣泛，如分析化學、生命科學、材料檢測、石油勘探和水資源探查等等。在這諸多應用中，生命科學方面的應用是近年來發(fā)展最為迅速的，已經(jīng)成為當前核磁共振技術(shù)研究的熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1985年到2001年間發(fā)表在《Science》上的與核磁共振有關(guān)的602篇文獻中有80%屬于生命科學。相關(guān)科研及成果相關(guān)科研及成果人們在發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實際用途

，化學家利用分子結(jié)構(gòu)對氫原子周圍磁場產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強，進入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測定成為可能。另一方面，醫(yī)學家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論基礎上1969年，紐約州立大學南部醫(yī)學中心的醫(yī)學博士達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功的將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區(qū)分開來，在達馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅·勞特伯爾于1973年開發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)(MRI)，并且應用他的設備成功地繪制出了一個活體蛤蜊地內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。勞特伯爾之后，MRI技術(shù)日趨成熟，應用范圍日益廣泛，成為一項常規(guī)的醫(yī)學檢測手段，廣泛應用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷。2003年，保羅·勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授彼得·曼斯菲爾因為他們在核磁共振成像技術(shù)方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。從70年代后期起，隨著計算機和NMR在理論和技術(shù)上的完善，NMR無論在廣度、深度上都獲得了長足的發(fā)展，它已成為物理、化學、生物、醫(yī)學和地學研究中必不可少的實驗手段。在生物研究上的應用在生物研究上的應用生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核

，當與外磁場和射頻場相互作用，并且滿足共振條件時，將吸收射頻場能量而發(fā)生自旋能級間的躍遷，這就是核磁共振(NMR)的基本原理。由于NMR技術(shù)可以對含水樣品進行非破壞性測量，從而使觀測能在接近生理條件下實現(xiàn)，并可通過生物膜上H、C和P進行綜合研究，尤其是可以從原子或基團水平上提供分子的動態(tài)結(jié)構(gòu)和運動的信息，是研究生物膜結(jié)構(gòu)的有力工具。生物膜主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)比較復雜，而磷脂脂質(zhì)體卻能表現(xiàn)出生物膜結(jié)構(gòu)的許多性質(zhì)，是生物膜的理想模型。磷脂脂質(zhì)體主要以凝膠相和液晶相存在，在凝膠相，分子的局部運動很慢，分子間和分子內(nèi)的偶極相互作用沒有被有效地平均，所以NMR譜線很寬，得到的信息非常少;而在液晶相，分子局部運動受到的限制減少，運動加快，從而使NMR譜線窄化，得到高分辨的NMR譜。NMR技術(shù)在生物膜結(jié)構(gòu)研究中應用非常廣泛。用H、C和PNMR譜可以鑒定磷脂的種類。通過弛豫時間測定的方法可以研究磷脂雙分子層不同部位的流動性。將磷脂分子不同位置的氫選擇氘代，用H四極分裂和P化學位移各向異性的方法可以研究磷脂脂酰鏈的流動性、極性基團的構(gòu)象以及磷脂與其它分子的相互作用(蛋白質(zhì)、藥物和金屬離子等)，利用P化學位移各向?qū)苑椒梢匝芯苛字亩嘈涡浴＝陙?，隨著NMR技術(shù)的發(fā)展，二維(2D)和固體高分辨NMR技術(shù)也被應用于生物膜研究領域，并且已成為非常重要的手段。利用通過化學鍵建立的相關(guān)譜(如COSY