核磁共振成像儀的技術應用

NMR技術即核磁共振譜技術，是將核磁共振現象應用于分子結構測定的一項技術。對于有機分子結構測定來說，核磁共振譜扮演了非常重要的角色，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質譜一起被有機化學家們稱為“四大名譜”。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。
核磁共振的特點：①共振頻率決定于核外電子結構和核近鄰組態；②共振峰的強弱決定于該組態在合金中所占的比例；③譜線的分辨率極高。
早期的核磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產生核磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產生的核磁共振信號很強，容易檢測。隨著傅立葉變換技術的發展，核磁共振儀可以在很短的時間內同時發出不同頻率的射頻場，這樣就可以對樣品重復掃描，從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區分出來，這使得人們可以收集13C核磁共振信號。
近年來，人們發展了二維核磁共振譜技術，這使得人們能夠獲得更多關于分子結構的信息，目前二維核磁共振譜已經可以解析分子量較小的蛋白質分子的空間結構。 核磁共振波譜技術用來研究生物大分子有如下特點：
①不破壞生物高分子結構（包括空間結構）。
②在溶液中測定符合生物體的常態，也可測定固體樣品，比較晶態和溶液態的構象異同。
③不僅可用來研究構象而且可用來研究構象變化即動力學過程。
④可以提供分子中個別基團的信息，對于比較小的多肽和蛋白質已可通過二維NMR獲得全部三維結構信息。
⑤可用來研究活細胞和活組織。
在生物學研究中最常用的是1H，13C，31P譜，此外還有15N，19F等。1H譜發展最早，1H在生物體中無所不在，核磁相對靈敏度高，故應用最廣，包括用于核磁成像。缺點是含氫基團極多，譜線易重疊而不易解析。碳亦為生物體內重要元素，但12C自旋為零，13C天然豐度低，僅為1.1%，對等數量的核在相同磁場下其靈敏度只及1H的1.6%。其優點是化學位移范圍寬，在寬帶去耦條件下進行實驗，波譜簡單，易分辨，隨著測定技術及13C標記方法的發展，13C 譜已有極廣泛的應用。31P譜常用于活組織測定，觀察ATP等含磷化合物的代謝過程，并已用于核磁成像。
NMR在生物學研究中范圍很廣。主要有：
分析研究 ：如確定生物分子成分及濃度，特別是可不破壞組織細胞而測知其中組分；確定異構體比例；確定分子解離狀態；確定金屬離子或配基是否處于結合狀態；以及測定細胞膜內外的pH差異。
熱力學研究：如測定酶與底物、配基、抑制劑的結合常數；測定可解離基團的pK值，特別是能測定生物大分子中分處不同微環境的同類殘基的同類基團的不同pK值，這是其他方法所不及的；還可測定相變溫度，ΔG等其他熱力學參數。
動力學研究：監測反應進程，測定各組分隨時間的變化；通過變溫實驗和線形分析，測平衡過程的動力學常數，包括某些生化反應的反應速率，研究分子間（如酶與抑制劑，DNA與藥物）相互作用的動力學過程。
分子運動研究：弛豫參數（T1，T2，NOE）可用來研究生物高分子的動力學，以及生物膜的流動性。
分子構象及構象變化研究：目前用二維核磁共振技術加上計算機模擬已能獨立確定小的蛋白質分子及核苷酸片段在溶液中的三維空間結構。改變物理化學因素或加入可與生物分子相互作用的其他物質，將會使核磁圖譜發生變化，從而可用來研究這種構象變化。
活體研究：用31P，13C，1H磁共振方法測定活細胞，活組織以致整體的代謝物濃度及變化，測定細胞內pH值，觀察藥物或不同生理狀況對代謝的影響。研究對象有微生物、植物、各種動物以至人體器官等。