核磁共振光谱的应用摘要：核磁共振( 简称NMR ) 是基于原子核磁性的一种波谱技术,它已被化学、食品、医学、生物学等学科领域广泛采用, 已成为在这些领域开展研究工作的有力工具。

关键词：核磁共振;食品工业；医药；生物科学；核磁共振(简称NMR )是基于原子核磁性的一种波谱技术, 1945 年,FBloeh和EMPureell分别领导的两个小组几乎同时发现了核磁共振现象。

他们二人由于这项重大发现, 共同分享了1952年诺贝尔物理学奖。

最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面,现今,它已被化学、食品、医学、生物学、遗传学以及材料科学等学科领域广泛采用,已成为在这些领域开展研究工作的有力工具。

在以往的半个世纪中, NMR技术经历了几次飞跃。

1945年NMR信号的发现,1948年核磁弛豫理论的建立,1950年化学位移和藕合的发现以及1965年傅里叶变换谱学的诞生,迎来了NMR的真正的繁荣期。

自从70年代以来,NMR发展异常迅猛,形成了液体高分辨、固体高分辨和NMR成象三雄鼎立的新局面。

二维NMR的发展,使液体NMR的应用迅速扩展到了生物领域。

NMR成象技术的发展,使NMR 进人了与人民生命息息相关的医学领域。

目前, NMR 技术已成为研究高分子链结构的最主要手段,对于聚合物的构型、构象分析、立体异构体的鉴定和序列分布、支化结构的长度和数量、共聚物和共缩聚物组成的定性、定量以及序列结构测定等均有独特的长处。

随着超导技术、计算机技术和脉冲傅立叶变换波谱仪的迅速发展的今天, 核磁共振已成为鉴定有机化合物结构和研究化学动力学等的极为重要的方法, 其功能及应用领域正在逐步扩大。

核磁共振的原理：原子核在外磁场中受到磁化,产生一定频率的震动。

当外加能量(射频场)与原子核震动频率相同时,原子核吸收能量发生能级跃迁,产生共振吸收信号,这就是核磁共振的最基本原理。

在静磁场中，具有磁性的原子核存在不同能级，用特定频率的电磁波照射样品，当电磁波能量等于能级差时，原子核吸收电磁波发生能级跃迁，产生共振吸收信号。

核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。

并不是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。

迄今为止，只有自旋量子数等于1/2 的原子核，其核磁共振信号才能够利用，经常为人们所利用的原子核有：1H，11B，13C，17O、19F，31P。

将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。

进动具有能量，也具有一定频率。

原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。

原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。

当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。

这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。

为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。

根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。

因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。

一般的核磁共振数据可以提供5个主要信息:化学位移、偶合常数、谱峰线宽、谱峰峰形、谱峰相对强度。

1、核磁共振在食品科学中的应用核磁共振技术在食品科学领域中的应用始于7 0年代初期,主要用于研究水在食品中的状态,70年代初期,超导NMR波谱仪和脉冲傅里叶变换NMR仪的迅速发展,以及电子计算机和波谱仪的有机结合,使NMR技术取得了重要突破,功能越来越完善。

对大多数食品来说，水分、油脂和碳水化合物等组分可以反映食品在组织结构、分子结合程度，以及在加工、储藏过程中内部变化等方面的重要信息。

NMR可通过食品的组分来研究食品的物理、化学状态及其三维结构，和食品的冷冻、干燥凝胶、再水化等过程。

食品组成成分的物理、化学状态及其三维结构决定了食品的多汁性、松脆度、质感稳定性等，通常无法用常规分析方法对其进行研究。

而运用非破坏性的核磁共振波谱技术研究食品的物理、化学性质已成为食品研究的一种趋势。

它可在不侵人和破坏样品的前提下,对样品进行快速、实时、全方位和定量的测定分析,所以正成为分析弄清食品中不均匀系列复杂特性的最佳研究手段之一。

由于N MR 技术具有其他方法难以比拟的独特优点, 即定性测定不具有破坏性、定量测定不需要标样, 因此核磁共振技术在食品中的应用和发展也越来越广泛。

1.1 食品中水分的分析研究食品中水分含量的高低以及结合状态对于食品的品质、加工特性、稳定性等有着重要的影响。

NMR的一个重要应用就是研究食品中水分的动力学和物理结构，它可以测定能反映水分子流动性的氢核的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2。

当水和底物紧密结合时，T2会降低，而游离水流动性好，有较大的T2。

所以通过T1、T2的测定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流动和结构特征。

1. 2研究乳状液对于水包油体系,当油分子在水中扩散时会导致相关的磁共振吸收信号的降低,这是由于油的扩散导致水分子转动受到限制水的流动性降低。

当油的扩散受到液滴大小的影响时,信号随时间降低的趋势将直接受到乳状液滴半径的影响。

基于这些观点,可以通过NM R信号来研究表面活性剂浓度、pH值、离子强度对液滴大小的影响,进一步研究乳状液性质。

1. 3在水果加工中用一维NMR投影法来检出带核水果核桃、橄揽中含有富含水和油脂的种子,可用NMR 辨别果实是否去核,为加工提供便利的条件。

科学家们成功的用一维NMR投影检出了传送带上含核种子。

其检出率达90%一95 %。

投影图上每个峰有相应的对应，通过两边峰的峰高比值（特征比值）来确定有核种子和无核种子。

NMR技术还可用来研究肉中同化剂,如激素等的作用、冷冻过程中肉质构的改变、氨基酸的测定、食品污染物的分析和农药残留等方面。

随着NMR技术的进一步完善,仪器新功能的不断开发利用以及成本的进一步降低, 核磁共振技术在食品科学研究中将会有更为广阔的前景。

2 核磁共振在药品分析上的应用核磁共振用于药物鉴定分析具有以下优势:1、样品制备方法简单: NMR样品预处理环节少，便于质控，因而制样成本低、样品污染和丢失的风险小。

2、鉴定和检测的同步性:在一些常规药物分析检测过程中物质的鉴定和定量检测是两个分立的环节，而NMR 实验可以同时提供物质结构和含量信息，制备一个样品(甚至一个实验)即能完成对样品中物质的鉴别和含量的测定，因而核磁共振技术是一种高效快速的检测手段。

3、对有机物的普适性:核磁共振实验(特别是1H NMR验)是一种无偏向性的测试方法，可以实现混合物中多个组分的同时鉴定分析，为定量分析中基准物的选择提供了较为宽松的空间。

4、异构体分析能力强:核磁共振对异构体独特的识别能力是许多测试技术(如色谱和质谱)所不能比拟的。

此外，作为一种“无损伤”和低消耗的检测技术，核磁共振测试过程中除了样品制备试剂之外，几乎不需要其它额外耗材，且样品可以无损回收，因而核磁共振属经济型和环境友好型检测技术。

在近年来的药物分析鉴定方法学研究过程中，核磁共振多功能的技术特点得到了充分的体现和拓展，形成了检测手法”多元化”的趋势。

应用：根据药物样品的核磁共振谱图（1H谱和13C谱）的δH和δC，来确定化合物的组成，从而对其进行检测。

由于核磁共振技术在有机化合物分子结构解析方面的优势，因此其在药物质量控制领域中也得到了极大的应用。

核磁共振技术在药物质量控制中的应用包括组分定性鉴定、含量分析、杂质鉴定等项目，现已被用于多种药物的质量控制标准。

其中美国药典19版(1975年)、英国药典1975年版、日本药局方第十二版(1991年)，已经开始运用核磁共振技术进行药物的鉴定。

我国也于中国药典2010年版二部中新加入了核磁共振技术，以适应新的质控要求。

随着核磁共振方法的发展和药物质量控制标准的更高要求，在各国药典中越来越多的药物鉴定方法中加入了核磁共振方法。

例如，美国药典在测定亚硝酸异戊酯制剂中含量时采用的就是核磁共振绝对定量法定量。

2009年为了确保肝素产品的质量和防止潜在污染，美国药典委员会于2009年10月决定用具有高度专一性的1H核磁共振法和阴离子高效液相色谱试验法取代原来的电泳法(CE)对肝素进行鉴定。

鉴定实例：用1HNMR的内标绝对测定法对头孢类抗生素的含量进行测定。

（头孢菌素结构）因搜有头孢菌素均溶于重水，且重水的溶剂峰（化学位移值δ4.86~5.80）与其他质子分离度好，不受干扰，选为定量峰。

叔丁醇的9个质子为单峰（δ1.23）且处于高场，不干扰其他质子，选为内标峰。

该方法快速，准确，精密度高，测定原料的平均回收率达99.8%~100.8%,RSD为1.5%。

3、核磁共振在生命科学中的应用3. 1 NMR 与蛋白质三维结构或构象的测定随着多维NMR 技术和核磁共振谱仪的迅速发展, NMR 的应用范围也相应地从有机小分子扩展到生物大分子,尤其是对蛋白质三维结构的测定。

蛋白质三维结构的测定是蛋白质组学的核心内容之一。

只有在确切地知道了蛋白质三维结构的基础上, 才能对蛋白质的功能和作用机制有更全面的了解,才能开展基于蛋白质三维结构的药物分子设计。

蛋白质中有相当一部分(约20%)由于得不到单晶, 无法用X射线衍射技术测定。

更为重要的是液态蛋白质结构更接近蛋白质在生物体内的状态。

截止到2005年11月29日在PDB数据库中总共30995个蛋白质(包括肽和病毒)中有4332个是由NMR获得的,约占14%。

目前,蛋白质三维结构的研究是国际上的热点。

3. 2蛋白质与配体相互作用的NMR 研究蛋白质与蛋白质之间, 蛋白质与其它生物分子( 如DNA、RNA、多糖、药物) 之间的相互作用或结合是完成生命活动的主要途径。

由于结合态与游离态的配体分子中原子核自旋的核磁共振参数(化学位移、弛豫时间和扩散系数等)存在有较大差异,因此可通过NMR得到蛋白质结构变化的动力学信息, 这对于药物的设计和筛选优化是非常有用的。

而且NMR所研究的是在接近生理环境下的液态蛋白质的动力学性质, 所得到的结果更具有说服力。