核磁共振技術(shù)VIP

核磁共振技術(shù)醫(yī)學(xué)科術(shù)語(yǔ)01概念工作原理發(fā)展歷史學(xué)科分支目錄03020405相關(guān)科研及成果NMR發(fā)展動(dòng)向在生物研究上的應(yīng)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(xì)胞中相對(duì)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(xì)胞。與此同時(shí)，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(dòng)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(chǎng)的作用下，核自旋能級(jí)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(guò)程。核磁共振信號(hào)是大量核的貢獻(xiàn)的總和。受激輻射和受激吸收

的幾率相同，此外，在射頻場(chǎng)作用下的凈躍遷由上下能級(jí)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(xué)家伊西多·拉比發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無(wú)線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類(lèi)關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

。1946年兩位美國(guó)科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)生原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。為此他們兩人獲得了1950年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(yùn)動(dòng)，在恒定的磁場(chǎng)中，自旋的原子核將繞外加磁場(chǎng)作回旋轉(zhuǎn)動(dòng)，叫進(jìn)動(dòng)(precession)。進(jìn)動(dòng)有一定的頻率，它與所加磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。如在此基礎(chǔ)上再加一個(gè)固定頻率的電磁波，并調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使進(jìn)動(dòng)頻率與電磁波頻率相同。這時(shí)原子核進(jìn)動(dòng)與電磁波產(chǎn)生共振，叫核磁共振。核磁共振時(shí)，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(xué)環(huán)境不同，將會(huì)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(duì)數(shù)目，用以進(jìn)行定量分析

及分子量的測(cè)定，并對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。學(xué)科分支學(xué)科分支核磁共振技術(shù)主要有兩個(gè)學(xué)科分支：核磁共振波譜（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy）和磁共振成像（MagneticResonanceImaging，簡(jiǎn)稱MRI

）。核磁共振波譜技術(shù)是基于化學(xué)位移理論發(fā)展起來(lái)的，主要用于測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)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(wú)損測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如分析化學(xué)、生命科學(xué)、材料檢測(cè)、石油勘探和水資源探查等等。在這諸多應(yīng)用中，生命科學(xué)方面的應(yīng)用是近年來(lái)發(fā)展最為迅速的，已經(jīng)成為當(dāng)前核磁共振技術(shù)研究的熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(xiàn)中有80%屬于生命科學(xué)。相關(guān)科研及成果相關(guān)科研及成果人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實(shí)際用途

，化學(xué)家利用分子結(jié)構(gòu)對(duì)氫原子周?chē)艌?chǎng)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(shí)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(jí)譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來(lái)越強(qiáng)，進(jìn)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(jí)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(cè)定成為可能。另一方面，醫(yī)學(xué)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(chǔ)上1969年，紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士達(dá)馬迪安通過(guò)測(cè)核磁共振的弛豫時(shí)間成功的將小鼠的癌細(xì)胞與正常組織細(xì)胞區(qū)分開(kāi)來(lái)，在達(dá)馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學(xué)石溪分校的物理學(xué)家保羅·勞特伯爾于1973年開(kāi)發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)(MRI)，并且應(yīng)用他的設(shè)備成功地繪制出了一個(gè)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(yīng)用范圍日益廣泛，成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)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(guó)諾丁漢大學(xué)教授彼得·曼斯菲爾因?yàn)樗麄冊(cè)诤舜殴舱癯上窦夹g(shù)方面的貢獻(xiàn)獲得了當(dāng)年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。從70年代后期起，隨著計(jì)算機(jī)和NMR在理論和技術(shù)上的完善，NMR無(wú)論在廣度、深度上都獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，它已成為物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和地學(xué)研究中必不可少的實(shí)驗(yàn)手段。在生物研究上的應(yīng)用在生物研究上的應(yīng)用生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核

，當(dāng)與外磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)相互作用，并且滿足共振條件時(shí)，將吸收射頻場(chǎng)能量而發(fā)生自旋能級(jí)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(duì)含水樣品進(jìn)行非破壞性測(cè)量，從而使觀測(cè)能在接近生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)，并可通過(guò)生物膜上H、C和P進(jìn)行綜合研究，尤其是可以從原子或基團(tuán)水平上提供分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(fù)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(yùn)動(dòng)很慢，分子間和分子內(nèi)的偶極相互作用沒(méi)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(yùn)動(dòng)受到的限制減少，運(yùn)動(dòng)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(yīng)用非常廣泛。用H、C和PNMR譜可以鑒定磷脂的種類(lèi)。通過(guò)弛豫時(shí)間測(cè)定的方法可以研究磷脂雙分子層不同部位的流動(dòng)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(xué)位移各向異性的方法可以研究磷脂脂酰鏈的流動(dòng)性、極性基團(tuán)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(xué)位移各向?qū)苑椒梢匝芯苛字亩嘈涡?。近年?lái)，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(yīng)用于生物膜研究領(lǐng)域，并且已成為非常重要的手段。利用通過(guò)化學(xué)鍵建立的相關(guān)譜(如COSY