谈“核”容易？- 初探NMR

前言说起核磁共振（NMR），很多人的第一反应就是我们平常在医院里做的检查-磁共振成像（MRI）。由于缺乏一定的科学知识，他们中又有不少人认为 MRI 有辐射，对身体有害，这就是所谓的谈核色变。据说也正是由于此，冷战时期美国的医学专家们将核磁共振成像改称为磁共振成像，以消除普通民众对核的恐惧心理。前面提到的都是日常生活中人们对核磁共振的常见看法，基本上停留在医疗卫生这一认知层面上。其实核磁共振本身包含的内容非常丰富，除了相关的实验技术，还有系统而完整的理论。应该说自 Rabi、Purcell 和 Bloch 等这些早期的物理学家发现 NMR 现象以来，核磁共振经过全球无数科学家的共同努力，已经由早期一种新兴的实验技术到如今发展成为一门横跨物理、化学、材料、生物医学、电子学等多学科的具有重要影响力的交叉学科。在其发展的短短几十年历史中，与其相关的诺贝尔奖就有 5 次，并且在物理学、化学和生物医学上都有所体现。另据有关统计，全球每年发表的科技文章中，有关核磁共振方面的文章最多，排在第一位。这些都充分表明核磁共振具有强大的学科生命力。同时作为一门实验技术，其应用的范围之广：从宏观的物体到微观的原子分子状态，核磁共振都已成为我们观察和研究物质不可或缺的 ｢一双眼睛｣。此外鉴于核磁共振在基础研究和应用研究方面形成良好的双向互动关系，它的发展无疑对于其它学科的发展也具有良好的示范作用。由于 NMR本身博大精深，限于篇幅，下面仅选取一些问题与大家聊聊其二三事，后面将持续跟进关于核磁的原理、软件的使用以及核磁在相关学科领域的应用等内容，敬请期待。

• NMR对于科研和技术人员到底意味着什么，掌握到什么程度才行？

正所谓 ｢一千个读者就有一千个哈姆雷特｣。这个回答还是需要结合科研和技术人员所在的学科领域、所从事的研究方向和行业具体来分析。具体来说对于一名核磁的检测人员来说，NMR 可能就是一幅图谱，为此他们可能只需了解这个仪器的操作步骤、简单的维护、软件的使用和制样流程就够了，要求高的可能还需要具有解析图谱的能力。而对于有机化学家来说，除了需要具备前面提到的这些知识，他们还必须掌握有机化合物的提纯、有机反应等一些有机化学的知识和一些核磁方法的作用，才能帮助他们更好地去解释有机化合物的结构和理解有机化学反应的机理。只有这样我们才能说这名有机化学家才算真正掌握了 NMR。当然上述科研人员也仅仅把 NMR 看做一种和红外、紫外一样的表征手段而已。对于一名 NMR 的仪器工程师来说，NMR 是一种精密的、昂贵的大型仪器。为此他们需要掌握更多关于仪器本身的原理和电子器件的电子学知识，才能使仪器处在一个比较好的使用状态，保证其不出问题。比较厉害的工程师，他们会根据客户的需求定制核磁仪器和相关部件（例如探头）。当然对于专门使用 NMR 从事催化、电池、医药、高分子、生物学等相关领域研究的人来说，NMR 就是他们手中进行开疆拓土的重要科研利器。他们的任务就是不断开发新的核磁方法或者利用已有的方法去研究物质并发现新的现象。这些科研人员我们一般称之为 NMR 波谱学家。后面我们谈到的 NMR 基本上指的就是 NMR 波谱学。总的来说 NMR 波谱学可以分为理论及方法学的研究和应用这两大方向：前者主要包括核磁检测技术和脉冲序列的开发以及NMR图谱的计算模拟和相关软件的开发，这就涉及到核磁共振原理的本质-量子力学了。因此掌握良好的量子力学、数学知识是必不可少的，最好还能掌握一定的计算机语言知识。而后者则是利用已有的核磁脉冲序列和技术去研究催化剂、高分子、生物大分子、储能材料、有机物和药物分子等物质的结构、反应的机理和动力学并从中发现新的实验现象，为此需要理解相关脉冲序列和方法的原理和具备相应领域的知识，才能更好地使用 NMR。当然有的还需要开发新的实验装置（例如原位和联用装置）才能更好地研究物质和相关反应过程。另外根据具体使用的谱仪类型，每一个方向又可分为固体核磁和液体核磁两大分支。因此要想真正地掌握 NMR，就一定要具备很多方面的知识，成为一名“杂家”，才能做到 spin the NMR, spin the science。

• NMR的研究对象是什么，是不是任何物质都能拿来测试？

应该来说现在的NMR仪器可以检测任何状态的物质。最常见的是液体和固体，当然介于液体和固体状态的液晶、胶体甚至气体都可以直接检测。但前提是被检测的物质元素其原子核的核自旋量子数不为零（元素周期表中的大部分元素都满足该条件），这就涉及到NMR的研究对象-核自旋。当然这还只是理论上的，实际是否能在某台仪器上测试以及能否得到一幅信噪比好的 NMR 谱图，还需关注被测元素原子核的拉摩频率是否在仪器的指定频率范围内，原子核的自然丰度和相对灵敏度是否较高，这些信息都可以从网上的NMR元素周期表中获得。除此之外有些仪器比如液体NMR还要求被测物质中尽量不能含有顺磁性物质。▲ 核自旋与 NMR 元素周期表图片来源：必应

• NMR与其他分析仪器相比有什么特点？

首先作为一项无损检测技术，前面提到 NMR 的应用范围和检测对象很广泛，并且它从原子层面上获取的信息量非常丰富，同时具有比较高的分辨率。这一点是红外、紫外、拉曼等很多光谱技术所无法比拟的。另外从原子结构的有序化程度来说，XRD、中子衍射等衍射技术一般是对长程有序的晶体材料才能发挥重要作用，但是对于像玻璃、有机聚合物这类结晶性差但短程有序的无定型材料就往往束手无策。而核磁中的固体核磁技术则能够从此类物质中发现有价值的信息。再者NMR是一项既能同时定性和定量检测物质，又能 ｢动静结合｣ 地观察物质的技术。这里的 ｢静｣ 指的是观测和确认物质的结构和成分。｢动｣ 指的是获得相应物质和反应的分子动力学信息。尽管 NMR 拥有诸多的优点，但是不得不说相较于其它分析技术，它的灵敏度仍是比较低的，这是目前核磁发展的主要问题之一。要想得到有用的信号，一般来说被测物质的质量需要在 mg 级别。当然近些年来已有很多技术和方法提出来提高其灵敏度，但这些方法都存在自身的局限性，离真正的应用推广都还有一定的距离。

• 从NMR中我们能得到哪些重要的信息？

简单来说一个NMR实验主要通过分析峰位、峰形、峰强和弛豫时间等数据来获取基本信息，这些信息可以从我们前面提到的 ｢静｣ 和 ｢动｣ 两方面来讲。例如从 ｢静｣ 的角度来说，无论是液体还是固体核磁，峰位一般都指的是化学位移，这是定性确认物质成分和种类的重要依据。只不过在液体核磁中，一般看到的是有机物官能团的信息，同时结合二维谱，我们就可以得到整个有机物的结构和空间构象信息。此外对于液体核磁而言，峰形应该关注的是峰的裂分数量以及裂分间距，从中可以获取J偶合常数数值，也有助于物质结构的判断。另外从峰的裂分情况我们也可以间接获知磁场匀场的好坏。而在固体核磁中峰位和峰形得到的信息就更丰富了，结合不同的学科和研究方向会得到不同的信息。在这里峰形除了需要关注峰的裂分，还需要关注峰的线形、峰宽等方面。从这些峰形的数据中可以获得诸如化学位移各向异性、偶极-偶极偶合常数、四极偶合常数等NMR相互作用的参数，间接得出化学键的键长、键角和空间分布等物质结构方面的重要信息。当然本质上这些化学位移和峰形的不同，也是由于原子的成键方式和化学环境不同（例如表面和体相，自由物质和被吸附物质，不同晶型的原子空间排布不同），这些原子核的NMR相互作用的哈密顿量不同所导致的。此外为了证明谱图判断的合理性，还需要利用多维核磁和多种相关核的核磁实验、核磁谱图的计算模拟以及其他相关表征技术才能进一步确认。至于峰强，无论是液体还是固体核磁，都可以用来定性地比较某一组分的相对多少或者通过添加一定量的标准物质等方法定量计算出某一组分或者物质的含量。
▲ 固体 NMR 中几个比较重要的相互作用及其哈密顿量图片来源：必应 并有所修改而从 ｢动｣ 的角度来看，NMR 是一个非常有用和重要的研究分子动力学的技术手段。通过变温实验、二维交换实验、交叉极化等方法去研究谱图线形、峰宽和峰强的变化以及核磁的弛豫时间等方面，NMR可以研究从皮秒到几十秒这样数量级的分子运动，例如分子的振动、转动、扩散和化学交换等。在这里有两个比较经典的例子，例如在液体 NMR 中发现化学交换速率的快慢往往会影响线形的改变，而在固体 NMR 中可以通过分析不同温度下的 ²H 谱的线形变化来研究分子的运动情况。进一步通过这些分子运动的研究，我们既可以获得像活化能、反应速率和扩散系数等这类物理参数，又能从宏观角度重新认识物质的相关性质和一些反应过程，例如药物分子的晶型转变、聚合物的玻璃化转变过程以及一些气体和液体分子在多孔物质中的运动情况等。从而帮助我们更好地去设计具有独特性质的材料。至于为什么我们能用NMR图谱的变化去检测分子的运动过程，其根本原因是在于这些分子运动过程影响了原子核的核自旋哈密顿量，从而引起诸如线形、峰宽和峰强等图谱的变化。而具体影响程度则又取决于这些运动的时间尺度与 NMR 相互作用之间的相对大小。这就如同一个摄像机能以多快速度捕捉住一些运动的细节，是取决于拍摄速度与运动速度之间的快慢关系。而从另一个角度来说，分子运动也会影响我们静态地观测一个物质的结构，正所谓 ｢动中有静，静中有动｣。
▲ 一些典型的物理运动的时间标尺图片来源：Levitt, M.H., Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance, 2nd edition, John Wiley & Sons, 2008.▲ 化学交换对液体 NMR 图谱的影响以及固体 NMR 中 ²H 谱在不同温度下的线形变化图（a）来源：必应；图（b）来源：HeX, Lo A Y H, Trudeau M, et al. [J]. Inorganic chemistry, 2003, 42(2): 335-347.

• 一些NMR数据处理软件的推荐

利用像 Bruker 公司（核磁仪器巨头）开发的 Topspin 软件（一款液体和固体 NMR 的采样和数据处理分析软件，功能非常强大）和 CMC 系列软件（帮助解析小分子物质的结构），Mestrelab Research 公司开发的 mestrenova 软件（做有机化学研究的应该非常熟悉，一款非常好用、操作简单的 NMR 数据处理分析软件），ACD/Labs旗下的 NMRAssitant 软件（能帮助解析有机物分子的结构），Sparky 软件（能帮助展示和分析核酸、蛋白质和聚合物等物质的二维甚至更高维度的 NMR 谱图），NMRPipe 软件（一款处理和分析蛋白质 NMR 数据的常用软件），SPINEVOLUTION 软件（一款能模拟大量的液体和固体NMR实验的强大软件），SIMPSON 软件（一款实用的固体NMR实验模拟软件），Dmfit 软件（一款能拟合液体和固体NMR一维和二维图谱的强大软件），Relax 软件（一款能帮助分析蛋白质和其他大分子的弛豫数据和动力学信息的软件）等这些软件都可以帮助我们很好地解决 NMR 的数据处理问题。▲ 一些常用的 NMR 数据处理软件图片来源：必应