核磁共振及其应用

 具有磁矩的粒子（如原子、电子、原子核等）在磁场中形成若干分立的能级（即塞曼能级）,在适当的交变电磁场作用下,可以激发粒子在这些能级之间的共振跃迁,这就是磁共振现象。1945年哈佛大学的伯塞尔和斯坦福大学的布洛赫所领导的两个小组同时独立设计、独立实验观察到核磁共振（简称NMR）现象,此后,已取得令人瞩目的进展,NMR技术已成为探索物质微观结构和运动状态的重要手段。现在核磁共振技术在物理、化学、生物、医学等领域都获得了非常广泛的应用。 根据量子理论,原子核磁矩μ_I和自旋角动量P_I有下列关系: P_I=2^{1/-I（I+1）}·h （1） μ_I=γP_I=γ2⁽1/I（I+1）·h （2） 其中γ是核的旋磁比,I为核的自旋量子数,对于自旋量子数为I的核,它的自旋角动量在外磁场B方向的投影P_z中能取以下数值.     

磁性测量讲座 第二讲 研究磁结构的实验方法(Ⅱ)

三、核磁共振(NMR)和穆斯堡尔 效应(ME)[10-13] 核磁共振和穆斯堡尔效应都属于核技术.它们有共同的物理基础,都是研究物质中原子核处的局部电、磁场对核能级的影响.但是,核磁共振的跃迁发生在由于塞曼效应核基态劈裂而成的次能级之间,而穆斯堡尔效应是在原子核基态与激发态能级     

核磁共振原理及其应用

 1946年以美国物理学家布洛赫(F.Bloch)和普舍尔(E.M.Purcell)为首的两个小组几乎在同一时间,用不同的方法各自独立地发现了物质的核磁共振(NMR)现象,后来两人合作制造了世界上第一台核磁共振谱仪。1952年他们二人因此获得了诺贝尔物理奖。所谓核磁共振是根据处在某个静磁场中的物质原子核系统受到相应频率的电磁波作用时,在它们的磁能级间产生共振跃迁的原理而采取的一种新技术。核磁共振技术自创始以来经过了60年代连续波谱仪的大发展时代,以及70年代的脉冲傅里叶变换核磁共振和核磁双共振时代,近年来发展的多核NMR,多脉冲NMR,二维NMR和固体NMR在理论和实践上都取得了迅速发展。     

核双共振

一、引 言 双共振是磁共振的重要发展.在同一种被测样品中激发一种共振跃迁,同时监视另一种共振跃迁称为双共振.通过这两种共振跃迁的相互影响,可以获得更多的波谱学信息,扩大单一共振的研究范围.研制各种类型的双共振技术方案,提出各种双共振的恰当理论描述,开展各种双共振的实际应用是当今磁共振领域中最活跃的方向之一.本文讨论核共振中的双共振,这包括核磁共振(NMR)和核四极共振(NQR)中的双共振. 核双共振主要是:(1)探测微弱的共振信号;(2)判明复杂核共振谱中各谱线的归属从而判定结构,相应地也可以达到精确测定回磁比以及耦合常数.…     

CdTe量子点的室温激子自旋弛豫动力学

利用交叉偏振三阶非线性瞬态光栅技术,研究了室温下CdTe胶体量子点激子自旋弛豫动力学的尺寸效应.在抽运-探测光子能量与CdTe量子点的最低激子吸收(1Se—1Sh)跃迁相共振时,量子点激子自旋弛豫显示了时间常数为0.1—0.5 ps的单指数衰减行为.CdTe量子点激子自旋的快速弛豫源于亮暗激子精细结构态跃迁,即J=±1←→■2跃迁.激子自旋弛豫主要由空穴的自旋翻转过程决定.研究结果表明:CdTe量子点激子自旋弛豫速率与量子点尺寸的4次方成反比.     

仲氢诱导超极化增强核磁共振技术:从原理到应用

核磁共振(NMR)技术可提供原位、实时、高分辨的分子结构和生物组织信息,虽然已广泛用于复杂分子结构表征和生物成像,但低灵敏度限制了其进一步应用。通过将外源性超极化状态核自旋转移至待测分子的原子核,实现目标分子的超极化从而提高待测物中原子核特定自旋态的布居数差,可有效提高NMR灵敏度。然而,目前主流超极化方法共同的缺点是仪器昂贵、操作复杂。仲氢诱导增强的超极化是一种低成本、操作简单且高效的技术,可将NMR灵敏度提高三个数量级以上,正逐渐成为NMR领域的前沿热点。介绍仲氢诱导增强超极化的基本原理、实验方法以及在NMR谱学和成像方面的应用。仲氢的两个氢原子核自旋方向相反,通过降温和催化剂作用可实现高纯度富集。富集后的仲氢通过两种方法将其超极化状态转移至底物分子。第一种方法是在催化剂作用下将仲氢分子加成到底物分子的不饱和基团上,直接采集氢的NMR信号,或通过极化转移方法(脉冲序列或磁场循环)将其超极化状态转移至邻近的异核原子核(如~(13)C,~(15)N,~(19)F等)。第二种方法是仲氢与底物分子在金属配合物进行可逆交换反应,实现底物分子中杂核原子的超极化。选择合适的催化剂对灵敏度提升至关重要,对常用催化剂的类型和结构进行了总结;极化转移方法对异核灵敏度的提升至关重要,并归纳了此技术中常用的极化转移方法。仲氢诱导超极化增强技术对NMR灵敏度的显著提升使得该技术在应用方面已崭露头角。首先,仲氢诱导超极化增强技术将NMR谱所需浓度降低到μmol·L~(-1)级别,可用于表征催化反应中间体结构及监测混合物中低浓度化学物质。其次,基于异核的超极化底物分子是良好的NMR生物成像造影剂。虽然仲氢超极化增强技术具有广泛的应用前景,然而理性设计并合成超极化率高、寿命长、水溶性好的NMR造影剂仍是亟待解决的关键问题。     

α粒子结构下的p-~(12)C非弹性散射

从12C原子核的α粒子结构观点出发,计算了共振区内能量为T p=200,400,600,700MeV,p-12C的2 (4.44MeV)和3-(9.64MeV)非弹性散射微分截面。其中将12C原子核跃迁形状因子分解成核内α粒子的跃迁形状因子和α粒子本身的形状因子的乘积。利用已知的原子核跃迁密度,得出12C原子核α粒子跃迁密度分布的解析式。理论结果与实验较好地符合。     

碘原子共振多光子电离光谱研究

用可调谐的染料激光(4600～5000(?)),共振(3+2)和(4+1)多光子电离探测了I(5p~2P_(3/2)~0)和1~#(5p~2P_(1/2)~0).碘原子是由碘分子(I_2)经激光解离而产生的.在上述激光波段中共观察到12个原子跃迁,其中,(4+1)多光子电离跃迁是首次观察到的.     

NMR的化学位移和自旋耦合分裂发现40周年

1946年E、M、Purcell[1]在Harvard和F、Bloch[2]在Stanford几乎同时用不同方法独立发现了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,即NMR)现象。最初,NMR方法主要用于测量原子核的磁矩,并可提高测量精度。虞福春和W.G.Proctor曾进行了大量的原子核磁矩测量[3,4,5,6,7,8]。五十多年来,NMP波谱学取得了举世瞩目的进展。1952年Purcell和Bloch因发现核磁共振而共同荣获诺贝尔物理学奖金。 我国著名物理学家虞福春教授首先发现了化学位移并首先发现了自旋耦合分裂,为核磁共振的发展作了具有重要里程碑的奠基贡献。虞福春到斯坦福大学任F.Bloch教授     

核自旋与乙烯分子的核自旋变体的分离和转换研究进展

原子核(简称核)由质子和中子构成,核内所有质子和中子的角动量之和通常称为核自旋。虽然核自旋变体及其稳定性是量子力学中的基本概念,而且由核自旋不为零的同种原子组成的所有分子都有两种或两种以上的核自旋变体,但对气相多原子分子核自旋变体的分离和相互转换动力学的研究,直到九十年代初才打破了沉寂了几十年的局面。十多年前乙烯分子的四种核自旋变体的分离和转换实验研究有了首次突破,本文对此做了重点介绍。文章按年代发展首先简要地综述了构成原子核的质子和中子发现的科学史,提出了核自旋变体的概念,详细描述了氢分子的两种核自旋变体(正氢和仲氢)以及乙烯分子的四种核自旋变体。然后着重介绍了利用光诱导漂移技术,对气相乙烯分子的核自旋变体的分离实验;用宇称守恒与量子弛豫理论定量地描述了核自旋变体间相互转换研究的进展。最后概述了通过仲氢对乙炔催化加氢的化学合成方法用来提高乙烯分子的核自旋变体浓度,足以增强其核磁共振信号强度的最新成果。     

Perspectives of solution NMR spectroscopy for structural and functional studies of integral membrane proteins

This article discusses future perspectives of solution NMR spectroscopy to study structures and functions of integral membrane proteins at atomic resolution, based on a review of recent progress in this area. Several selected examples of structure determinations, as well as functional studies of integral membrane proteins are highlighted. We expect NMR spectroscopy to make future key scientific contributions to understanding membrane protein function, in particular for large membrane protein systems with known three-dimensional structure. Such situations can benefit from the fact that functional NMR studies have substantially less limitations by molecular size than a full de novo structure determination. Therefore, the general potential for NMR spectroscopy to solve biologic key questions associated with integral membrane proteins is very promising.     

多肽和蛋白质NMR预饱和实验中饱和转移效应的研究

通过改变预饱和照射时间研究了一些多肽和蛋白质分子在水溶液中的饱和转移效应.定量分析了在照射60s之后大分子中绝大多数酰胺质子仍不受影响的原因.结果表明:具有稳定的三维溶液结构的蛋白质(如溶菌酶)中,活泼氢的信号基本上不受饱和转移影响;对于溶液结构比较稳定的多肽和蛋白质(如胰岛素),只有少部分酰胺质子信号强度受到影响;小分子六肽因为溶液中不存在稳定的构象,饱和转移效应十分显著.因此对于溶液中多肽与蛋白质构象的NMR研究,预饱和仍不失为一种简便而有效的溶剂峰压制技术.     

非天然氨基酸在蛋白质动态特性核磁共振研究中的应用

核磁共振（NMR）是蛋白质结构解析的主要方法之一.除可获得蛋白质的高分辨结构外,NMR还可用于观测最接近生理条件的蛋白质动态构象,获得蛋白质行使生物学功能的详细机制.非天然氨基酸定点标记方法可显著减少大分子量蛋白质的信号数目,降低数据采集和分析难度,已广泛运用于蛋白质结构和功能研究.本文介绍了常用的在蛋白质中引入非天然氨基酸的实验方法,包括蛋白质化学合成法、蛋白质化学修饰法、氟代芳香族氨基酸插入和基因密码子编辑的位点特异性插入等方法,并介绍了部分应用非天然氨基酸结合NMR研究大分子量蛋白的成功案例.此外,此篇综述讨论了目前非天然氨基酸标记在蛋白质研究中的局限性及发展方向.     

水化磷脂层中蛋白质和多肽的高分辨固体核磁共振波谱学

有序样品的固体核磁共振(NMR)已快速发展成测定蛋白质和多肽在“仿真”水化磷脂层中高分辨结构的重要谱学方法. 由于与膜相连的蛋白质和多肽的结构、动力学和功能往往都和其周边自然环境密切相关,因此人们把蛋白质和多肽有序排列于水化磷脂层中进行固体NMR测量, 从而获得与取向相关的各向异性自旋相互作用. 这些取向约束可作为结构参数重构蛋白质在水化磷脂层中的高分辨三维结构. 近十年来在样品制备,NMR探头和实验方法方面的显著发展,极大地促进了有序样品的固体NMR的发展,并使之成为测定与膜相连的蛋白质和多肽结构的有效方法. 该综述介绍有序样品的固体NMR谱学方法,并总结此领域里的最新研究进展.     

核磁共振研究中蛋白质样品的同位素标记策略

在运用核磁共振技术研究蛋白质溶液三维结构和动态特性中,蛋白质的同位素标记表达是研究的关键. 至今已发展的同位素标记技术和蛋白质表达系统已获得了广泛的应用,对蛋白质的核磁共振研究起到了巨大的推动作用. 但是随着蛋白质研究的深入发展,原有的一些常规标记表达技术已不能完全适应核磁共振研究的需要. 近年来,陆续出现的一系列同位素标记新技术和蛋白质表达新系统可以满足不同物种来源的蛋白质及更高分子量的蛋白质的核磁共振研究的需要. 本文旨在对这些蛋白质标记表达新技术的方法及应用予以逐一介绍.     

用异核多维NMR技术研究蛋白质动力学

蛋白质在溶液中的三维空间结构、动力学与蛋白质生物功能的关系是在分子水平上理解生命现象的重要基础. NMR技术在研究蛋白质动力学方面具有独特的优势,所能表征的运动过程相关时间尺度很广. 文章综述了异核多维NMR技术研究蛋白质动力学的实验技术和理论方法,介绍了描述蛋白质动力学的内运动参量的意义和Model-Free 方法,并举例说明¹⁵N弛豫测量实验被用于研究蛋白质及其与配体复合物的动力学.      

19F固体核磁共振技术研究膜蛋白相互作用的进展

固体核磁共振技术因其可实现细胞膜环境中的蛋白质结构研究而广受关注.¹⁹F元素由于灵敏度高、天然丰度高,无生物背景等优点,被广泛应用于生物核磁共振技术中.氟标固体核磁共振技术常被用于细胞膜中蛋白质的相互作用研究,如：抗菌肽与细胞膜的相互作用、聚合膜蛋白结构分析等.此篇综述介绍了常用的蛋白质氟标修饰的实验方法,总结了常用的¹⁹F生物固体核磁共振实验技术,以及介绍了应用¹⁹F固体核磁共振研究膜蛋白的成功案例.此外,此篇综述讨论了¹⁹F固体核磁共振技术在蛋白质研究中的局限性.     

Magnetization Transfer via Residual Dipolar Couplings: Application to Proton–Proton Correlations in Partially Aligned Proteins

A novel three-dimensional NMR experiment is reported that allows the observation of correlations between amide and other protons via residual dipolar couplings in partially oriented proteins. The experiment is designed to permit quantitative measurement of the magnitude of proton–proton residual dipolar couplings in larger molecules and at higher degree of alignments. The observed couplings contain data valuable for protein resonance assignment, local protein structure refinement, and determination of low-resolution protein folds.     

蛋白质顺磁标记技术与生物核磁共振中的赝接触位移

未配对电子与蛋白质分子自旋核的作用能提供丰富的长程结构信息,这些顺磁信息通常可用顺磁弛豫增强、赝接触位移和残余偶极耦合描述,其中赝接触位移包含生物大分子内重要的距离和角度信息.稀土离子具有相似的配位化学性质和不同的顺磁物理特性,而大多稀土离子具有磁各向异性,在与大分子作用过程中会产生赝接触位移.由于大多数蛋白质没有顺磁中心,获得这些顺磁信息需要通过定点选择标记蛋白质来实现.该文旨在对近年来蛋白质顺磁标记的方法和进展进行介绍,在顺磁标记基础上阐述赝接触位移在结构生物学中的应用.     

Purification and structural analysis of a type III antifreeze protein from the european eelpout Zoarces viviparus

It has recently been reported that the eelpout Zoarces viviparus synthesizes a family of antifreeze proteins (AFP) similar in sequence to type III AFPs. A method has been set up to separate these antifreeze proteins from blood serum of this teleost species. A total of nine proteins with antifreeze activity have been isolated, several to a purity suited for NMR experiments. One of the proteins, Zvafp13, has been subject to partial structure determination by NMR. 1D- and 2D-H NMR analyses were carried out. In the 1D-experiments it was observed that the protein contained 28 slow-exchanging amides, suggesting a compact structure. The 2D-experiments were utilized to assign observed signals to specific amino acids. From TOCSY- and NOESY-experiments 35 out of a total of 66 amino acids were assigned. The amide exchange pattern, protein primary sequence, chemical shifts and NOE-cross-peaks between amides and -protons in the -sheets suggest that Zvafp13 structurally resembles the recombinant type III AFP rQAE m1.1.