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核磁共振NMR的歷史和同位素氣體的概念

2011-12-14 10:39:13

同位素氣體已進入各種化學研究，是有機分子結構分析不可或缺的最重要的方法 - 核磁共振光譜。核磁共振是一種非破壞性的，信息豐富的分析技術，可以幫助研究人員了解分子結構和動力學。NMR實驗可以分析分子的原子連接在一個分子彼此關系、空間定向和在自然環(huán)境中的分子運動，尤其是在蛋白質組學/基因組學和藥物發(fā)現(xiàn)應用，通過這些結構關鍵信息，科學家可以深入地了解蛋白質靶標分子、合成的空間關系和候選藥物。

磁矩是由許多原子核所具有的內(nèi)部角動量或自旋引起的，自1940年以來研究磁矩的技術已得到了發(fā)展。物理學家正在從事的核理論的基礎研究為這一工作奠定了基礎。1933年，G·O·斯特恩（Stern）和I·艾斯特曼（Estermann）對核粒子的磁矩進行了第一次粗略測定。美國哥倫比亞的I·I·拉比（Dr. Isidor Rabi生于1898年）的實驗室在這個領域的研究中獲得了進展。這些研究對核理論的發(fā)展起了很大的作用。Dr. Isidor Rabi因原子和分子束磁共振方法的發(fā)明在1944年獲得諾貝爾物理學獎，有趣的是，拉比忽視了NMR這一技術的重要性。

當受到強磁場加速的原子束加以一個已知頻率的弱振蕩磁場時原子核就要吸收某些頻率的能量，同時躍遷到較高的磁場亞層中。通過測定原子束在頻率逐漸變化的磁場中的強度，就可測定原子核吸收頻率的大小。這種技術起初被用于氣體物質，后來通過斯坦福的F.布絡赫（Felix Bloch生于1905年）和哈佛大學的E·M·珀塞爾（Edward Purcell生于1912年）的工作擴大應用到液體和固體。布絡赫小組第一次測定了水中質子的共振吸收，而珀塞爾小組第一次測定了固態(tài)鏈烷烴中質子的共振吸收。自從1946年進行這些研究以來，這個領域已經(jīng)迅速得到了發(fā)展。物理學家利用這門技術研究原子核的性質，同時化學家利用它進行化學反應過程中的鑒定和分析工作，以及研究絡合物、受阻轉動和固體缺陷等方面。1949年，W·D·奈特證實，在外加磁場中某個原子核的共振頻率有時由該原子的化學形式?jīng)Q定。比如，可看到乙醇中的質子顯示三個獨立的峰，分別對應于CH3、CH2和OH鍵中的幾個質子。這種所謂化學位移是與價電子對外加磁場所起的屏蔽效應有關。

隨著這一發(fā)現(xiàn)核磁共振光譜誕生，并很快成為一個研究化合物結構重要的分析方法。對于這一發(fā)現(xiàn)，Bloch和Purcell于 1952年被授予諾貝爾物理學獎。

同位素氣體的有關概念：

同位素（Isotope）：具有相同原子序數(shù)但質量數(shù)不同的核素。

穩(wěn)定性同位素（Stable Isotope）：指質子數(shù)相同，中子數(shù)不同且無放射性的元素。

標記化合物（Labelled Compound）：用放射性核素或穩(wěn)定核素取代化合物分子中的一種或幾種原子使之能被識別并可用于示蹤的化合物。

示蹤劑（Tracer）：具有某些明顯特性而易于辨別的物質。將少量該物質與另一物質相混合或附著于此物質時，待測物質的分布狀況或其所在位置就能被確定。

豐度（Enrichment）：同位素原子數(shù)（或摩爾數(shù)）對該元素總原子數(shù)（或摩爾數(shù)）的比例。

天然豐度（Natural Enrichment）：在一種元素中特定同位素天然存在的豐度。

同位素示蹤劑（Isotopic Tracer）：與被示蹤元素相同而同位素組成或能態(tài)不同的示蹤劑。

同位素稀釋分析（Isotope Dilution Analysis）：在樣品中加入一定量已知豐度的某元素的同位素（或包含該同位素的物質），通過測定混合物前后它在樣品中的豐度，從而求得樣品中該元素（或該物質）含量的分析方法。

同位素效應（Isotope Effect）：由于質量或自旋等核性質的不同而造成的同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學性質的差異。

原子質量（Atomic Mass）：一種中性原子處于基態(tài)的靜止質量。