核磁共振技术

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核磁共振技术可以直接研究溶液和活细胞中相对分子质量较小(20,000 道尔顿以下)的蛋白质、核酸以及其它分子的结构, 而不损伤细胞。
与此同时,其可以解决蛋白质、DNA/RNA、碳水化合物的结构,可以鉴定动态特征。
中文名
核磁共振技术
外文名
Nuclear magnetic resonance (NMR) technology
研    究
细胞中相对分子质量较小
开始时间
1930年代

核磁共振技术概念

核磁共振,是指核磁矩不为零的原子核,在外磁场的作用下,核自旋能级发生塞曼分裂(Zeeman Splitting),共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。
核磁共振信号是大量核的贡献的总和。
受激辐射和受激吸收[1]  的几率相同,此外,在射频场作用下的净跃迁由上下能级的布居数之差决定。

核磁共振技术发展历史

核磁共振技术的历史
1930年代,物理学家伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列,而施加无线电波之后,原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究,拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖[2] 
1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现,将具有奇数个核子(包括质子和中子)的原子核置于磁场中,再施加以特定频率的射频场,就会发生原子核吸收射频场能量的现象,这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1950年度诺贝尔物理学奖。

核磁共振技术工作原理

核磁共振的基本原理是:原子核自旋运动,在恒定磁场中,自旋的原子核将绕外加磁场作回旋转动, 叫进动(precession)。进动有一定的频率,它与所加磁场的强度成正比。如在此基础上再加一个固定频率电磁波,并调节外加磁场的强度,使进动频率与电磁波频率相同。这时原子核进动电磁波产生共振,叫核磁共振核磁共振时,原子核吸收电磁波能量,记录下的吸收曲线就是核磁共振谱(NMR-spectrum)。由于不同分子中原子核化学环境不同,将会有不同的共振频率,产生不同的共振谱。记录这种波谱即可判断该原子在分子中所处的位置及相对数目, 用以进行定量分析[3]  及分子量的测定,并对有机化合物进行结构分析。

核磁共振技术学科分支

核磁共振技术主要有两个学科分支:核磁共振波谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,简称MRI[4]  )。核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的,主要用于测定物质的化学成分和分子结构。磁共振成像技术诞生于 1973年,它是一种无损测量技术,可以用于获取多种物质的内部结构图象。由于核磁共振可获取的信息丰富,因此应用领域十分广泛,如分析化学、生 命科学、材料检测、石油勘探和水资源探查等等。
在这诸 多应用中,生命科学方面的应用是近年来发展最为迅速的,已经成为当前核磁共振技术研究的热点。据不完全统计,从1985 年到 2001 年间发表在《Science》上的与核磁共振有关的 602 篇文献中有 80 % 属于生命科学。

核磁共振技术相关科研及成果

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途[5]  ,化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响,发展出了核磁共振谱,用于解析分子结构,随着时间的推移,核磁共振谱技术不断发展,从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图,核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强,进入1990年代以后,人们甚至发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术,使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。
另一方面,医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象,利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息,从而精确绘制人体内部结构,在这一理论基础上1969年,纽约州立大学南部医学中心的医学博士达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来,在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术(MRI),并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。劳特伯尔之后,MRI技术日趋成熟,应用范围日益广泛,成为一项常规的医学检测手段,广泛应用于帕金森氏症、多发性硬化症等脑部与脊椎病变以及癌症的治疗和诊断。2003年,保罗·劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。
从70年代后期起,随着计算机和NMR在理论和技术上的完善,NMR无论在广度、深度上都获得了长足的发展,它已成为物理、化学、生物、医学和地学研究中必不可少的实验手段。

核磁共振技术在生物研究上的应用

生物膜上含有的H、C、P等具有非零自旋的磁性核[6]  ,当与外磁场和射频场相互作用,并且满足共振条件时,将吸收射频场能量而发生自旋能级间的跃迁,这就是核磁共振(NMR)的基本原理。由于NMR技术可以对含水样品进行非破坏性测量,从而使观测能在接近生理条件下实现,并可通过生物膜上H、C和P进行综合研究,尤其是可以从原子或基团水平上提供分子的动态结构和运动的信息,是研究生物膜结构的有力工具。
生物膜主要由蛋白质和脂质组成,结构比较复杂,而磷脂脂质体却能表现出生物膜结构的许多性质,是生物膜的理想模型。磷脂脂质体主要以凝胶相和液晶相存在,在凝胶相,分子的局部运动很慢,分子间和分子内的偶极相互作用没有被有效地平均,所以NMR谱线很宽,得到的信息非常少;而在液晶相,分子局部运动受到的限制减少,运动加快,从而使NMR谱线窄化,得到高分辨的NMR谱。
NMR技术在生物膜结构研究中应用非常广泛。用H、C和P NMR谱可以鉴定磷脂的种类。通过弛豫时间测定的方法可以研究磷脂双分子层不同部位的流动性。将磷脂分子不同位置的氢选择氘代,用H四极分裂和P化学位移各向异性的方法可以研究磷脂脂酰链的流动性、极性基团的构象以及磷脂与其它分子的相互作用(蛋白质、药物和金属离子等),利用P化学位移各向导性方法可以研究磷脂的多形性。近年来,随着NMR技术的发展,二维(2D)和固体高分辨NMR技术也被应用于生物膜研究领域,并且已成为非常重要的手段。利用通过化学键建立的相关谱(如COSY等)可以进行多组分磷脂或磷脂与其它分子混合体系每个基团的谱线归属。而通过空间建立的相关谱(如NOESY等)可以直接提供基团之间距离的信息,是研究膜脂结构以及与其它分子相互作用的有力工具。固体高分辨技术不仅可以研究液晶态的磷脂,而且可以应用于凝胶态磷脂的研究中。
对于某一种磁性核,其磁矩在磁场中可以有不同的取向。对于质子而言,可以有两种取向,即与静磁场平行和反平行,前者属于低能态,后者属于高能态。如果在垂直于静磁场的方向上加一个射频场,当射频场的频率与核的Larmor频率(核磁矩绕磁场方向进动频率)相等时,处于低能态的核子便吸收射频能,跃迁到高能态。射频场去掉后,高能态的核子通过弛豫过程又回到低能态,从而就能观察到NMR的信号。弛豫过程有两种,一种是自旋—晶格弛豫,此过程用T1表示;另一种是自旋—自旋弛豫,用T2表示。T1是描述自旋体系吸收能量后将其能量转移给它周围环境而恢复到平稳态的时间,T2过程中自旋体系内部有能量的偶合,自旋体系总能量没有变化。弛豫时间与分子运动有关,通过弛豫时间的测定,可以研究生物膜各部位的流动性。
生物膜C和P化学位移各向异性与运动有很大关系。所谓化学位移各向异性,是指核所处的静磁场方向改变,核的共振频率(即化学位移)就发生变化,由于I=的核周围电子密度分布是球对称,所以如果静磁场方向改变, 核的有效感应磁场也就随之变化,处于不同形态,其运动方式不同,因而化学位移被平均的取向也不同。通过P化学位移各向异性可以研究磷脂的多形性;此外,还可以用I=1的H各向异性(四极分裂)谱研究磷脂分子空间取向的平均分布信息。
2D NMR有别于常规一维(1D)NMR的主要点在于1D NMR只涉及一个频率变量,是吸收峰强度对一个频率变量作图;而2D NMR谱则代表两个独立频率,是吸收峰强度对两个频率变量作图。一般将2D NMR实验分4个区域,即预备期、发展期(t1)、混合期(可以没有)和检测期(t2)。预备期是为了使磁化矢量达到适当的初始态而设置的,接着在发展期磁化矢量进行演化,在混合期内自旋系统发生相干转移,最后在检测期信号被检测。逐次改变t1反复循环累加,最后将所得数据进行两次傅里叶变换:即可得到2D NMR谱。2D NMR谱可分为通过化学键和空间建立起来的两类相关谱,两类2D NMR谱对谱线归属都非常重要,后者对于生物膜分子空间构象研究也非常有力。
综上所述,核磁共振分析方法在生物研究[7]  上的应用主要有以下几个方面:
  • 测定溶液中生物大分子的三维空间结构;
  • 分析生物大分子在溶液状态下的分子动力学
  • 研究蛋白质的相互作用和酶的作用机理等;
  • 解析固体膜蛋白和纤维蛋白的结构和运动性质;
  • 基于蛋白质靶点的药物筛选和设计;
  • 研究活体状态下生物分子的功能活动和生理代谢。

核磁共振技术NMR发展动向

NMR在21世纪的发展动向为以下几个方面:
  • 提高磁体的磁场强度:预期21世纪将会出现大于1GHz的NMR 谱仪,将使生物大分子的结构研究有重大突破。
  • 发展三维核磁共振技术(3D-NMR):随着NMR谱在生物大分子结构分析中的应用,NMR技术所提供的结构信息的数量和复杂性呈几何级数增加。对三维空间的构象和大分子与小分子(或小分析与小分子)之间的相互作用等,二维核磁共振(2D-NMR)已显得无能为力了,因此要发展分子建模技术,利用NOE所提供的分子中质子间的距离信息来计算三维空间结构。
  • 固体NMR[8]  和NMR成像技术:这在生命科学、生物医学和材料学中将是至关重要的,将会在分子结构特征和动态特征研究方面有所突破。
参考资料
词条标签:
中国电子学会 科技 生物 理学 仪器