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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(jìn)入各種化學(xué)研究，是有機(jī)分子結(jié)構(gòu)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(shù)，可以幫助研究人員了解分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。NMR實(shí)驗(yàn)可以分析分子的原子連接在一個(gè)分子彼此關(guān)系、空間定向和在自然環(huán)境中的分子運(yùn)動(dòng)，尤其是在蛋白質(zhì)組學(xué)/基因組學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，通過這些結(jié)構(gòu)關(guān)鍵信息，科學(xué)家可以深入地了解蛋白質(zhì)靶標(biāo)分子、合成的空間關(guān)系和候選藥物。

磁矩是由許多原子核所具有的內(nèi)部角動(dòng)量或自旋引起的，自1940年以來研究磁矩的技術(shù)已得到了發(fā)展。物理學(xué)家正在從事的核理論的基礎(chǔ)研究為這一工作奠定了基礎(chǔ)。1933年，G·O·斯特恩（Stern）和I·艾斯特曼（Estermann）對核粒子的磁矩進(jìn)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(shí)驗(yàn)室在這個(gè)領(lǐng)域的研究中獲得了進(jìn)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(xué)獎(jiǎng)，有趣的是，拉比忽視了NMR這一技術(shù)的重要性。

當(dāng)受到強(qiáng)磁場加速的原子束加以一個(gè)已知頻率的弱振蕩磁場時(shí)原子核就要吸收某些頻率的能量，同時(shí)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(qiáng)度，就可測定原子核吸收頻率的大小。這種技術(shù)起初被用于氣體物質(zhì)，后來通過斯坦福的F.布絡(luò)赫（Felix Bloch生于1905年）和哈佛大學(xué)的E·M·珀塞爾（Edward Purcell生于1912年）的工作擴(kuò)大應(yīng)用到液體和固體。布絡(luò)赫小組第一次測定了水中質(zhì)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(zhì)子的共振吸收。自從1946年進(jìn)行這些研究以來，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)迅速得到了發(fā)展。物理學(xué)家利用這門技術(shù)研究原子核的性質(zhì)，同時(shí)化學(xué)家利用它進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程中的鑒定和分析工作，以及研究絡(luò)合物、受阻轉(zhuǎn)動(dòng)和固體缺陷等方面。1949年，W·D·奈特證實(shí)，在外加磁場中某個(gè)原子核的共振頻率有時(shí)由該原子的化學(xué)形式?jīng)Q定。比如，可看到乙醇中的質(zhì)子顯示三個(gè)獨(dú)立的峰，分別對應(yīng)于CH3、CH2和OH鍵中的幾個(gè)質(zhì)子。這種所謂化學(xué)位移是與價(jià)電子對外加磁場所起的屏蔽效應(yīng)有關(guān)。

隨著這一發(fā)現(xiàn)核磁共振光譜誕生，并很快成為一個(gè)研究化合物結(jié)構(gòu)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(xué)獎(jiǎng)。

同位素氣體的有關(guān)概念：

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

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

標(biāo)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(zhì)。將少量該物質(zhì)與另一物質(zhì)相混合或附著于此物質(zhì)時(shí)，待測物質(zhì)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(zhì)），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(zhì)）含量的分析方法。

同位素效應(yīng)（Isotope Effect）：由于質(zhì)量或自旋等核性質(zhì)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(xué)性質(zhì)的差異。

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

原子質(zhì)量單位（u，Atomic Mass Unit）：一個(gè)12C中性原子處于基態(tài)的靜止質(zhì)量的1/12。1u=1.6605655×10-27kg。

阿伏加德羅常數(shù)（L，NA）：分子數(shù)除以物質(zhì)的量。NA=N/n= (6.022045±0.000031) ×10 23mol-1。

摩爾質(zhì)量（M）：質(zhì)量除以物質(zhì)的量。M=m/n，式中m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg/mol。

摩爾（mol）：是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012kg12C的原子數(shù)目相等。在使用摩爾時(shí)，基本單位應(yīng)予指明，可以是原子，分子，離子，電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合。

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