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核磁共振成像仪的技术应用

2022.8.24

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。
核磁共振的特点：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。
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。核磁共振波谱技术用来研究生物大分子有如下特点：
①不破坏生物高分子结构（包括空间结构）。
②在溶液中测定符合生物体的常态，也可测定固体样品，比较晶态和溶液态的构象异同。
③不仅可用来研究构象而且可用来研究构象变化即动力学过程。
④可以提供分子中个别基团的信息，对于比较小的多肽和蛋白质已可通过二维NMR获得全部三维结构信息。
⑤可用来研究活细胞和活组织。
在生物学研究中最常用的是1H，13C，31P谱，此外还有15N，19F等。1H谱发展最早，1H在生物体中无所不在，核磁相对灵敏度高，故应用最广，包括用于核磁成像。缺点是含氢基团极多，谱线易重叠而不易解析。碳亦为生物体内重要元素，但12C自旋为零，13C天然丰度低，仅为1.1%，对等数量的核在相同磁场下其灵敏度只及1H的1.6%。其优点是化学位移范围宽，在宽带去耦条件下进行实验，波谱简单，易分辨，随着测定技术及13C标记方法的发展，13C 谱已有极广泛的应用。31P谱常用于活组织测定，观察ATP等含磷化合物的代谢过程，并已用于核磁成像。
NMR在生物学研究中范围很广。主要有：
分析研究：如确定生物分子成分及浓度，特别是可不破坏组织细胞而测知其中组分；确定异构体比例；确定分子解离状态；确定金属离子或配基是否处于结合状态；以及测定细胞膜内外的pH差异。
热力学研究：如测定酶与底物、配基、抑制剂的结合常数；测定可解离基团的pK值，特别是能测定生物大分子中分处不同微环境的同类残基的同类基团的不同pK值，这是其他方法所不及的；还可测定相变温度，ΔG等其他热力学参数。
动力学研究：监测反应进程，测定各组分随时间的变化；通过变温实验和线形分析，测平衡过程的动力学常数，包括某些生化反应的反应速率，研究分子间（如酶与抑制剂，DNA与药物）相互作用的动力学过程。
分子运动研究：弛豫参数（T1，T2，NOE）可用来研究生物高分子的动力学，以及生物膜的流动性。
分子构象及构象变化研究：目前用二维核磁共振技术加上计算机模拟已能独立确定小的蛋白质分子及核苷酸片段在溶液中的三维空间结构。改变物理化学因素或加入可与生物分子相互作用的其他物质，将会使核磁图谱发生变化，从而可用来研究这种构象变化。
活体研究：用31P，13C，1H磁共振方法测定活细胞，活组织以致整体的代谢物浓度及变化，测定细胞内pH值，观察药物或不同生理状况对代谢的影响。研究对象有微生物、植物、各种动物以至人体器官等。

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周锦帆