核磁共振技术进展与应用综述

　　核磁共振技术是物质分析测试、结构鉴定的重要手段，是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性和定量分析的最强有力的工具之一，广泛应用于生物、药物、材料、化学、植物、石油化工、食品、有机合成等诸多领域。

　　随着科学技术的发展，简介：

　　核磁共振技术是物质分析测试、结构鉴定的重要手段，是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性和定量分析的最强有力的工具之一，广泛应用于生物、药物、材料、化学、植物、石油化工、食品、有机合成等诸多领域。

　　随着科学技术的发展，核磁共振技术的应用范围正在逐渐扩展到更多的科学研究领域，特别是今后更富有前景的生命科学领域。现在，新的核磁共振波谱仪陆续为用户开发和提供了更多的先进技术，广泛应用在各个领域。

　　最新的NMR技术包括：

　　1. 最新超高场磁体技术

　　为了进一步深入生命科学和生物医学的研究领域，测定生物大分子的三维结构，研究生物大分子的动态运动学，研究生物细胞和活组织的各种生理过程的生物化学变化和研究蛋白质结构与功能关系，需要用到超高场NMR磁体，如700-800兆磁体。

　　超高场磁体每年会产生高昂的液氦，液氮消耗费用。最新发展的700,800兆超高场NMR磁体，采用了最新的超导材料，保证超导材料能够在4.2K液氦温度下产生超导效应，承受相应的电流，获得相应的700兆和800兆的均匀磁场。而传统的700兆，800兆材料必须在2.4K低温液氦下获得均匀磁场，要达到这样的低温环境，需要不断用泵抽取液氦，产生大量液氦的消耗，导致液氦添加时间间隔缩短，每年需要花费大量的维护费用保证液氦和液氮的维持。新的磁体在液氦液氮的维护费用方面比传统泵抽型的磁体会大大降低，同时添加液氦液氮的时间间隔延长，提高了安全性。现在，最新的超高场磁体的体积已经大大缩小，降低了NMR实验室场地的要求。目前国内已经成功安装了这样的磁体。

　　2. 超低温探头技术：由于核磁共振的灵敏度很低，为了提高灵敏度，超低温探头技术的推出，大大提高了氢，碳的灵敏度，并从2001年起，首次在中国安装。现在，已经使用的用户逐渐增多。

　　最新推出的1H/13C双共振超低温探头，可以同时提高1H,13C的灵敏度。

　　在天然产物的研究中，由于13C的低丰度和低核磁灵敏度，使13C核磁共振技术主要用于低分子量物质的结构测定，而在天然产物的分子结构测定中的应用则受到了限制。由于在天然产物中，急剧的弛豫作用引起的1H信号的大幅度下降，从而牵制了质子核磁技术的应用，致使近来又转向用13C核磁技术，新的观察13C的低温探头将对这样的实验有巨大的贡献。由于13C 和1H的灵敏度都提高了4倍，超低温探头在天然产物的结构分析中发挥着越来越大的作用。而在天然产物的规模越来越大、分析的样品越来越复杂，感兴趣的物质的量越来越少等诸多严峻的挑战上，新的微量超低温探头技术正在解决这些难题。

　　生物大分子研究：

A 3D HNCO on a 50µM protein (NuiA) sample in 90% H2O, 2.75 hours with 2 transients per increment.

　　小分子研究：

¹H-¹³C multiplicity edited gHSQC spectrum of 6 mg Strychnine collected on 500 MHz XSens Probe, 1 minute total acquisition time

　　　　Single scan ¹³C observe spectrum of 6 mg Strychnine collected on 500 MHz XSens Probe

　　但是，超低温探头由于价格昂贵，维护费用高，是阻碍用户购买的瓶颈，因此还需要发展常温探头技术。

　　3. 最新推出的常温探头：我们叫做二合一探头(ONENMR PROBE)：

　　过去根据不同的实验，通常用户在选择使用探头时，会选择正向探头(直接检测多核，如：13C,31P，因为多核线圈缠绕在探头的最内部，多核的灵敏度高)，和反向探头(用于二维核磁共振实验，如：2D gHSQC，1H核线圈缠绕在探头的最内部，1H核的灵敏度高)。

　　现在，新的二合一探头是把这两个探头的优势结合在一起，相当于两个探头的合集，满足了不同用户对高灵敏度的需求，而且，不会再因为需要使用不同的探头而来回的更换的繁琐工作。

　　新的二合一探头具有杰出的线性，最佳的灵敏度，微量样品也可获得最高品质的NMR谱图;无与伦比的B1场均匀性，即使最复杂的脉冲序列，也能够获得最高的灵敏度;极短的90度脉冲宽度，能够在最宽的频率范围内获得相同的激发。新的二合一探头具有抗盐性和抗溶剂性等特点，对1H谱，13C谱的测试无需调谐。

　　新的二合一探头可以应用在所有有机分子的结构测定，并且大大节约测试样品的时间，减轻劳动力，提高工作效率。现在，新的二合一探头正逐渐应用于天然产物，药物分析，精细有机合成等领域。

　　这些特色，在以下的常规NMR数据中得到体现：

　　在有机化学，药物，多糖中的应用：

                到灵敏度极高的¹H谱(雷帕霉素(抗真菌抗生素))

　　      二合一探头极佳的直接观测¹³C谱                                                                    二合一探头极佳的异核相关谱    

　 　    Vitamin B12: gHMBCAD二维谱                                                                               二合一探头极佳的蔗糖1H谱　　

　　4、FAST 2D Hadamard实验(快速二维核磁共振实验)：

　　核磁共振实验能够提供相关的1维谱和2维谱，对于复杂的样品由于1维谱图复杂，很难解析清楚，因此需要做2维核磁共振实验，得到同核和异核的相关2维谱，便于获得多核的关联信息，结构清晰，完整，结合1维谱就能够完整的解析谱图。

　　但是，二维实验需要较长的时间，复杂样品通常在1-2个小时左右，而有些更复杂的样品需要整个晚上的信号累加，主要采取对有效谱宽内的信号全频段扫描，即不管是有效信号还是噪声全部扫描，因此耗费的时间长是制约2维谱实验发展的一个重要因素。

　　各公司采取了不同的技术来改进多维核磁共振实验的分辨率，节约2维实验的时间。如在硬件上通过提高探头线圈接收灵敏度，使用超低温探头，或提高磁场强度等方法，但这些都会大大增加仪器购买的成本。

　　现在在核磁共振硬件技术上改进的基础上，通锅软件和硬件技术的结合，实现了快速2维独特的Hadamard核磁实验技术。Hadamard快速NMR实验是在2维NMR实验基础上开发出的一种高级实验，所有基本的2维实验都具有Hadamard实验功能，在样品信噪比允许的前提下，2维Hadamard 实验可以在几分钟内完成。配合全自动化设备，2500个2维实验仅需24小时。可以成倍甚至成数量级的缩短普通2维实验的时间。

　　Hadamard快速NMR实验对系统硬件的要求很高，需要有直接驱动的平行架构谱仪、无需正交检测的直接数字接收器等,现在，这样的硬件技术已经完备, 确保了需要很长时间的2维实验能够在几分钟之内完成，大大缩短实验时间，提高工作效率。现在已经作为一种标准方法提供给相关用户。

Conventional FT 2D HSQC of sucrose octa-acetate    44 min.

2D Hadamard HSQC of sucrose octa-acetat    22 sec.

　　另外，其他的新技术还包括：

　　BioMAS生物固体探头：直接测定生物固体样品，对于具有盐性的生物样品不会产生热量，保证生物样品的活性。

　　样品的自动进样器(Sample Changer):为大量的样品的测试和高通量筛选提供了快捷，简便的方式。

　　总之，最新的核磁共振波谱仪技术正随着NMR研究领域的普及和发展而发展。