核磁共振波谱法

将核磁共振现象应用于测定分子结构的谱学技术

核磁共振波谱法（英语：Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，简称 NMR spectroscopy 或 NMRS ），又称核磁共振波谱，是将核磁共振现象应用于测定分子结构的一种谱学技术。核磁共振波谱的研究主要集中在氢谱和碳谱两类原子核的波谱。

简介

核磁共振波谱法（英语：Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，简称 NMR spectroscopy 或NMRS），又称核磁共振波谱，是将核磁共振现象应用于测定分子结构的一种谱学技术。核磁共振波谱的研究主要集中在氢谱和碳谱两类原子核的波谱。

人们可以从核磁共振波谱上获取很多信息，正如同红外光谱一样，核磁共振波谱也可以提供分子中化学官能团的数目和种类，但除此之外，它还可以提供许多红外光谱无法提供的信息。核磁共振波谱对自然科学研究有着深远的影响，人们不仅可以借助它来研究反应机理，还可以用来研究蛋白质和核酸的结构与功能。供研究的核磁样品可为液体或固体。

波谱这一译名是科学家丁渝提出的。

历史

哈佛大学的珀塞尔小组和斯坦福大学的布洛赫小组在1940年代末和50年代初独立开发了核磁共振波谱法。因为他们的发现，爱德华·珀塞尔（Edward Mills Purcell）和费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）分享了1952年度的诺贝尔物理学奖。

基本的NMR技术

共振频率

当放置在磁场中时，核磁共振活性的原子核（比如1H和13C），以同位素的频率特性吸收电磁辐射。共振频率，原子核吸收的能量以及信号强度与磁场强度成正比。比方说，在场强为21特斯拉的磁场中，质子的共振频率为900MHz。尽管其他磁性核在此场强下拥有不同的共振频率，但人们通常把21特斯拉和900MHz频率进行直接对应。

样品处理

核磁共振波谱仪通常由一个旋转的样品架，一个非常强的磁铁，一个射频发射器和一个接收器组成，探头（天线组件）在磁铁内部环绕样品，可选择用于扩散测量的梯度线圈和电子设备来控制系统。旋转样品是平均扩散运动所必需的。而扩散常数（扩散有序光谱法或DOSY）的测量是在样品静止和离心的情况下进行的，流动池可用于在线分析工艺流程。

氘代NMR溶剂

NMR溶液中的绝大多数原子核属于溶剂，大多数常规溶剂是烃，并含有NMR响应的质子。因此，氘（氢-2）被取代（99+%）。虽然氘氧化物 (D2O)和氘代DMSO(DMSO-d6)用于亲水分析物，氘代苯也是常见的，但氘代溶剂最常用的是氘代氯仿(CDCl3)。取决于电子溶剂化效应，不同溶剂中的化学位移稍有不同。NMR波谱通常相对于已知的溶剂残余质子峰值，而不是添加的四甲基硅烷进行校准。

相关谱

主条目：关联性磁振频谱

相关谱（Correlation Spectroscopy）是二维核磁波谱的一种，常常简写为COSY。其它二维谱还包括J频谱（J-spectroscopy），交换频谱（EXSY，Exchange spectroscopy），核欧佛豪瑟效应频谱（NOESY，Nuclear Overhauser effect spectroscopy），全相关谱（TOCSY，total correlation spectroscopy），近程碳氢相关（HSQC，Heteronuclear single quantum coherence），远程碳氢相关（HMBC，Heteronuclear multiple bond coherence）等。二维谱在解析分子结构方面可比一维谱提供更多的信息，特别是用一维谱解析复杂分子结构遇到困难的时候，二维谱可以提供帮助。历史上首次二维谱实验方法由比利时布鲁塞尔自由大学（Université Libre de Bruxelles）教授让·吉纳（Jean Jeener）于1971年提出，之后其实验操作由沃尔特·欧（Walter P. Aue），恩里克·巴尔托尔蒂（Enrico Bartholdi）和理查德·恩斯特（Richard R. Ernst）完成，并于1976年发表。

固态核磁共振光谱

液体核磁样品如果放在某些特定的物理环境下，是无法进行研究的，而其它原子级别的光谱技术对此也无能为力。但在固体中，像晶体，微晶粉末，胶质这样的，偶极耦合和化学位移的磁各向异性将在核自旋系统占据主导，在这种情况下如果使用传统的液态核磁技术，谱图上的峰将大大增宽，不利于研究。

已经有一系列的高分辨率固体核磁技术被研发出来。高解析固体核磁技术包含两个重要概念，即通过高速旋转来限制分子自取向和消除磁各向异性，对于后者，最常用的旋转方式是魔角旋转（Magic angle spinning），即旋转轴和主磁场的夹角为54.7°。

固体核磁技术常被用于膜蛋白，蛋白纤维和聚合物的结构探究，以及无机化学中的化学分析。但同样可被应用于研究于树叶和燃油。

生物分子核磁共振光谱

蛋白质

利用核磁谱研究蛋白质，已经成为结构生物学领域的一项重要技术手段。X射线单晶衍射和核磁都可获得高分辨率的蛋白质三维结构，不过核磁常局限于35kDa以下的小分子蛋白，尽管随着技术的进步，稍大的蛋白质结构也可以被核磁解析出来。另外，获得本质上非结构化（Intrinsically Unstructured）的蛋白质的高分辨率信息，通常只有核磁能够做到。

蛋白质分子量大，结构复杂，一维核磁谱常显得重叠拥挤而无法进行解析，使用二维，三维甚至四维核磁谱，并采用C和N标记可以简化解析过程。另外，NOESY是最重要的蛋白质结构解析方法之一，人们通过NOESY获得蛋白质分子内官能团间距，之后通过电脑模拟得到分子的三维结构。

核酸

“核酸核磁共振”是利用核磁共振光谱学获得关于多核酸如DNA或RNA的结构和动力学的信息。截至2003年，所有已知RNA结构中近一半已通过核磁共振波谱法确定。

核酸和蛋白质核磁共振波谱相似但存在差异。核酸具有较小的氢原子百分比，这是在NMR光谱学中通常观察到的原子，并且因为核酸双股螺旋是刚性的且大致线性的，所以它们不会自行折叠以产生“长程”相关性。通常用核酸完成的NMR的类型是H或质子NMR，13C NMR，15N NMR和31P NMR。几乎总是使用二维核磁共振波谱方法，例如相关光谱学（COSY）和总相干转移光谱学（TOCSY）来检测穿透式核耦合，核欧佛豪瑟效应(Nuclear Overhauser effect)光谱法（NOESY）来检测彼此在空间上靠近的核之间的耦合。

糖类

糖类核磁共振光谱解决糖类结构和构象的问题。

另见

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