核磁共振波谱法
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,是将核磁共振现象套用于测定分子结构的一种谱学技术。目前,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,人们不仅可以藉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。
基本介绍
- 中文名:核磁共振波谱法
- 外文名:Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy
- 领域:结构生物学
- 功能:确定蛋白质三维结构
- 特点:解析度高
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,是将核磁共振现象套用于测定分子结构的一种谱学技术。目前,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,人们不仅可以藉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史丹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。儘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,流动池可用于线上分析工艺流程。
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回响的质子。 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準。
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複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)和理察·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。
目前已经有一系列的高解析度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。但同样可被套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解析度的蛋白质三维结构,不过核磁常局限于35kDa以下的小分子蛋白,儘管随着技术的进步,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)的蛋白质的高解析度信息,通常只有核磁能够做到。
蛋白质分子量大,结构複杂,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,并採用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,所以它们不会自行摺叠以产生“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
- 核磁共振
- 核磁共振成像
- 核磁管
- 丁渝