核磁共振技術(shù)不僅被應(yīng)用于醫(yī)療診斷，自1938年科學(xué)家IsidorRabi發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象后，經(jīng)過八十多年的發(fā)展，核磁共振技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域 。在這些領(lǐng)域中用到的核磁儀器是核磁共振波譜儀（NMRSpectrometer），根據(jù)被檢測化合物的狀態(tài)，核磁共振波譜儀又可分為固體核磁共振儀和液體核磁共振儀 。NMR波譜儀可以觀測分子的微觀結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)，鑒定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能等，像一個(gè)超大倍數(shù)的放大鏡，幫助我們在微觀的分子世界里一窺究竟 。


到這里大家可能會(huì)有個(gè)疑問：化學(xué)元素周期表中的118個(gè)元素都可以進(jìn)行核磁共振測試么？并不是，需要遵循一個(gè)原則：在磁場中能夠產(chǎn)生核自旋現(xiàn)象的原子核才能產(chǎn)生核磁共振信號 。簡單的理解核自旋現(xiàn)象，我們可以將原子核看作是一個(gè)核電荷均勻分布的球體，它像陀螺一樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)就是核自旋現(xiàn)象 。若原子核存在自旋，則會(huì)產(chǎn)生核磁矩，在磁場中用特定頻率射頻脈沖去“刺激”原子核，它就會(huì)“生氣” 。在化學(xué)周期表中具有核磁矩的元素有88種，1H、13C、19F、15N、31P等原子核都有核磁矩，這些原子是有機(jī)和無機(jī)化學(xué)材料的重要組成元素，因此它們是核磁共振波譜儀研究的主要對象 。
13C
由于檢測對象的不同，核磁共振波譜儀的外觀設(shè)計(jì)以及譜圖都與MRI有所不同 。當(dāng)我們用NMR波譜儀掃描化學(xué)物質(zhì)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)無線電波的譜線圖 。我們以13C核為例，由于化合物中存在許多種官能團(tuán)，例如-CH3、-COOH等 。在這些官能團(tuán)中，13C原子與其它原子核之間通過化學(xué)鍵相連，由于連接原子的種類以及連接方式的不同，不同官能團(tuán)中13C的核外電子云會(huì)發(fā)生不同程度的形變，進(jìn)而影響了核自旋，最終導(dǎo)致NMR譜圖中信號峰出現(xiàn)的位置即化學(xué)位移的不同 。因此我們可以利用NMR譜圖中的化學(xué)位移推斷出官能團(tuán)的種類，且峰寬、峰形也包含了官能團(tuán)的運(yùn)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)信息 。所以核磁共振是科學(xué)家解開未知化合物結(jié)構(gòu)謎題的得力助手 。
圖5有機(jī)物的官能團(tuán)在13CNMR譜圖中的化學(xué)位移（圖片來源：
https://organicchemistrydata.org）
NMR波譜儀的磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，得到的譜圖分辨率也越高 。隨著NMR技術(shù)壁壘的攻克，波譜儀的超導(dǎo)磁場強(qiáng)度也在不斷地突破極限，目前最新型的超高磁共振波譜儀的磁場強(qiáng)度為28T 。如此強(qiáng)大的磁場幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了在接近生理?xiàng)l件下研究蛋白的結(jié)構(gòu)和功能 。馬克斯-普朗克研究所（MPI）和德國神經(jīng)退行性疾病中心（DZNE）的科學(xué)家們就在利用這臺(tái)超高場核磁共振儀研究新冠病毒的核殼蛋白（N），他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞時(shí)，新冠肺炎病毒核殼（N）蛋白和宿主核糖核酸（RNA）會(huì)發(fā)生凝結(jié)，形成類似于無膜細(xì)胞器的微小液滴，這一研究發(fā)現(xiàn)讓我們對新冠病毒如何復(fù)制有了新的認(rèn)識(shí) 。
核磁共振儀還可以用于勘探石油、巖土工程、種子篩選、食品分析等方面，它不僅推動(dòng)了先進(jìn)材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)功能生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，在我們的日常生活中也扮演著越來越多的重要角色 。所以下一次不要談“核”色變，了解了這么多核磁共振知識(shí)，應(yīng)該感到“核”顏悅色吧！

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