核磁共振(NMR)的过去，现在和将来

物理学、诺贝尔奖以及目前正在解决过程化学、生物医学和药物开发以及食品和环境安全问题技术的出现。

布鲁克拜厄斯宾有限公司(Bruker BioSpin)副总裁 Clemens Anklin 博士

　　最近一项关于制药发现-科学家寻找下一种新型畅销药使用方法的调查显示，核磁共振(NMR)波谱技术在基于片段的先导化合物发现(1)中占据主导地位。此外，调查食品欺诈的工作人员使用 NMR 技术鉴定了仿制奶酪和冰淇淋等产品中牛奶脂肪和/或牛奶蛋白被替换为成本更低的非牛奶成分，如大豆、淀粉或植物油(2)。

　　近60年前，当 Günther Laukien 博士(现任布鲁克 CEO 之父)在1958年的《物理学百科全书》(3)上发表了他的重要论文《高频核磁波谱学》，他和其他先驱们一起建造了他们的第一批仪器，现代 NMR 应用将远远超出他们的想象。

　　本文回顾了这项技术创造者们的工作，并对推动 NMR 技术发展到今天这一地位的关键进展进行了反思——科学家们将其作为首选技术寻找一种信息丰富、无损的分析工具来揭示固体或液体样品中分子的结构、特征、浓度和行为。

　　在初期

　　NMR与建立该领域的两家主要公司-布鲁克和瓦里安-的早期发展是不可分割的。Günther Laukien 在图宾根大学学习物理，1952年搬到斯图加特的实验物理研究所工作。致力于 NMR 技术，他在核磁共振波谱学方面进行博士后研究，并在1958年发表了关于高频核磁共振的开创性论文。论文描述了当时已知的理论方面，同时也涵盖了构建实验系统的实际考虑。1960年，他被任命为卡尔斯鲁厄大学实验物理学教授。

　　瓦里安公司成立于1948年，由斯坦福大学的科学家在斯坦福工业园区内成立。该公司的早期目标之一是将 Felix Bloch 于1946年共同发现的核磁共振波谱技术商业化。随后，Edward M.Purcel 和 Felix Bloch 因这项工作获1952年诺贝尔物理学奖。

　　在 Laukien 研究的同时，瓦里安公司开始建造第一台商用高分辨率谱仪。在连续波扫描方法和电磁铁的基础上，设计用于分析化学。Laukien 意识到这项技术的强大之处，也看到了脉冲谱仪的市场需求，但目前还没有商业化的设备。他着手建立自己的公司来满足这一需要，于1960年成立布鲁克物理公司。

　　这两家公司之间的激烈竞争推动了许多 NMR 技术的早期发展和创新。有关关键里程碑的摘要，请参见下面的时间图解。

　　从专家到日常

　　经过近30年的发展，NMR 已成为一种成熟的技术，并得到了广泛应用;在有机化学领域，几乎没有一篇论文不报道 NMR 数据。

　　接下来，让我们来看看这些初始系统的发展，可以确定发展到今天这些系统的三个关键领域：更高的磁体场强，以提高灵敏度;探头技术改进和新设计以提高性能;以及计算机能力的迅速提高使软件得以开发，简化数据处理，并向非专业人士开放这项技术。下面的时间图解突出显示了“第二波”发展中的一些关键里程碑。有趣的是，一些 NMR 的先行者和早期采用者就这项技术从1980年到2010年的几十年间的发展进行了个人叙述和回顾，提供了大量吸引人的见解(4、5和6)。

　　挑战极限-关注点是什么?

　　NMR 在其传统应用之外的影响还在继续，例如，2016年9月在小分子 NMR 会议(SMASH)上发表的演讲和海报中有以下亮点:

• 　　二维 NMR 技术非均匀采样(NUS)在制药工业中的实际应用

• 　　利用残留偶极耦合常数确定小分子的构型

• 　　NMR 波谱用于单克隆抗体的鉴定

• 　　把 NMR 放在桌面上—低场和台式 NMR

　　此外，期刊上有许多论文提出或评论 NMR 在一系列重要新领域的潜在贡献。许多代表了 NMR 波谱学应用的重大变化：例如，在代谢组学中，通过收集大量谱图数据和代谢产物的基础数据，统计分析可以揭示某种代谢障碍或疾病的标志物。一旦建立了一个模型，单个样本的测量就可以判断该样本属于正常样本还是异类样本，甚至可以对疾病性质进行诊断。 这需要NMR 并将其交送临床科学家。他们可以问：这是我所期望的吗?用“是”或“不是”来回答。

　　在生物制药领域，研究人员正在使用 NMR 技术对单克隆抗体(mAbs)的结构进行表征。NMR 技术在生物制剂生产或放大中的另一个应用是监测生长培养基的组成。识别到某些营养物质的消耗或潜在有毒代谢物的积累可以显著提高产量和发酵效率。

　　在过去的几年中，氟在制药工业中的使用量急剧增加。如今，十大畅销小分子药物中有五种含有氟。F19NMR 不仅在药物发现方面提供了独特的方法，而且在含氟分子的表征和定量方面也提供了独特的方法。同时推出一些具有高灵敏度的低温探头用来观察核。

　　随着结构生物学、天然产品、高分子科学、石油化工产品和材料科学等领域的最新研究广泛开展，新的应用领域似乎不断涌现。

　　结论

　　70多年前，一位才华横溢的科学家首次测量了核磁自旋，这项工作最终在1943年获得了诺贝尔奖。从20世纪50年代中期到2010年，一小部分公司相互激励，开发 NMR 相关技术、仪器和应用，而在实验室里使用NMR系统的科学家们在其应用方式上极具创新性。起初，布鲁克公司和瓦里安公司竞争激烈，但布鲁克逐渐成为了主导者，并在今天继续这项工作，与客户和合作者一起构建应用程序基础和开发新的工具。可以看出，NMR已成为许多行业必不可少工具，随着NMR技术向新方法和新应用领域的扩展，其创新也在继续。

　　参考

　　1 http://practicalfragments.blogspot.ch/2016/10/poll-results-affiliation-metrics-and.html 

　　2 Monakhova Y等。利用 NMR 波谱和化学计量学方法，在植物油脂的基础上研究仿制奶酪和仿制冰淇淋的鉴别。国际食品科学杂志2013;367841

　　3 Laukien G.物理学百科全书手册，38/1卷。

　　4 编辑 Flügge S.柏林：Springer;1958.页码120-376

　　5 Richard R. Ernst, Angew。化学家 Int.Ed.2010，49，8310-8315

　　6 Antalek M.https://benchtopthoughts.com/2014/10/17/the-end-of-an-era-varian-and-the-birth-and-growth-of-nmr/(访问日期：2017年5月15日)

　　7 J W Emsley 和 J Feeney，核磁共振波谱学进展50(2007)，179-198

（布鲁克投稿）