00706 有機化學表徵方法 （六）核磁共振譜 (1)

所有元素原子核都具有自旋。自旋分兩種方向：一種是和磁場方向平行（P），另一種和磁場方向相反（AP）。前者能量較低，後者能量較高。因此，在任何條件下，一部分原子核將處於P狀態，另一部分將處於AP狀態。這兩種不同狀態的數量被稱為集居數。改變磁場將改變集居數的分布。

將自旋核用適宜頻率的電磁波照射，它們會吸收能量，發生原子核能級的躍遷。一些原先處於P狀態的原子核發生自旋翻轉，變成AP狀態。那麼從電磁波的角度來看，部分特定頻率的電磁波被吸收，強度減弱，於是就產生了核磁共振訊號。如果掃描所有可能產生吸收的電磁波段，我們就得到核磁共振譜。這種方法稱為核磁共振波譜法。常用的核磁共振譜有兩種：核磁共振氫譜（¹H－NMR）和核磁共振碳譜（¹³C－NMR）。近世還發展出了各種雜原子核磁共振波譜法（³¹P－NMR，¹⁹F－NMR，¹⁵N－NMR等等），以及多維波譜法。中文「波譜」一詞，係由物理學家丁渝^[1]所提出。本章將重點討論基本原理和核磁共振氫譜。

核磁共振簡史

1920年代-1930年代是核磁共振早期理論的奠基期。1924年，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）便提出了原子核具有自旋（nuclear spin）的概念，這一理論預言原子核可擁有非零的自旋量子數，從而具備磁矩，為後續核磁共振研究奠定了最重要的理論基礎。

1930年代，美國哥倫比亞大學的伊西多·拉比（Isidor Rabi）透過分子束實驗，首次直接觀測到原子核的磁矩及其在磁場中的共振行為。這項開創性工作不僅驗證了核自旋的存在，更發展出精確測量核磁矩的方法，為日後的NMR實驗提供了關鍵的實驗基礎。拉比因此於1944年榮獲諾貝爾物理學獎。

1946年，美國斯坦福大學的費利克斯·布洛赫（Felix Bloch）與哈佛大學的愛德華·珀塞爾（Edward M. Purcell）各自獨立在凝聚態（液體與固體）中觀測到核磁共振現象。布洛赫採用連續波（continuous wave, CW）方法，而珀塞爾則使用了脈衝技術。這兩項幾乎同時發表的突破性成果，標誌著NMR從氣相分子束實驗走向更廣泛的物質研究領域。兩人因此共同獲得1952年諾貝爾物理學獎。需要指出的是，拉比1938年的工作主要聚焦於精確測量磁矩，而布洛赫與珀塞爾的發現則真正開啟了NMR在固液態物質中的應用時代。

1950年代-1960年代，核磁共振技術的商業化與化學應用開始起步。1953年，第一台商品化的NMR譜儀問世，標誌著NMR技術開始從實驗室走向實際應用。1950年代後期，NMR逐漸從純物理研究轉向化學領域，用於探討分子結構與化學環境。

1960年代，高解析度NMR技術迅速進步，儀器靈敏度與分辨率大幅提升，使NMR成為有機化合物結構鑑定的強大工具。1966年，瑞士科學家理查德·R·恩斯特（Richard R. Ernst）引入傅立葉轉換核磁共振（Fourier Transform NMR，簡稱FT-NMR），這一革命性創新大幅提高了訊號靈敏度與數據獲取速度，將原本耗時的連續波掃描轉變為高效的脈衝傅立葉轉換方法。恩斯特因這一貢獻，於1991年榮獲諾貝爾化學獎。

1970年代末，高強度超導磁體的出現以及脈衝傅立葉技術的成熟，使得對低天然豐度、低磁旋比核種（如¹³C、¹⁵N等）的測量成為可能，大幅拓展了NMR的應用範圍。核磁共振技術迎來了多維NMR與生物大分子時代。

這一階段貢獻最為突出的仍屬恩斯特。他進一步發展二維（2D）及多維NMR技術，這一突破允許科學家從多個維度解析複雜分子的結構與構象關係。其成果廣泛應用於蛋白質、核酸等生物大分子的結構分析，徹底改變了結構生物學的研究方式。

1980年代，隨著電腦運算能力的飛躍，NMR數據處理與譜圖解析能力大幅提升，複雜生物分子的三維結構解析逐漸成為現實。

既然核磁共振可以探測到質子（即氫核）對特定頻率電磁波的吸收，那麼我們是否可以用這種技術來確定氫核的立體分佈呢？1980年代，核磁共振成像技術（Magnetic Resonance Imaging，MRI）正式問世，並迅速成為臨床醫學診斷的關鍵工具。MRI利用氫核在生物組織中的差異，提供無輻射、高軟組織對比度的影像，已廣泛應用於腦部、脊椎、關節等部位的診斷。2003年，保羅·勞特伯（Paul Lauterbur）與彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield）因MRI的基礎貢獻共同獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

進入1990年代後，NMR技術持續進展，包括固態NMR、動態核極化（DNP）等極化增強技術，以及更高場強超導磁體的開發，使NMR能研究更廣泛的樣品類型與更複雜的分子系統。

2000年代至今，NMR在生物醫學領域的影響尤為深遠。2002年，瑞士科學家庫爾特·烏特里奇（Kurt Wüthrich）因開發利用多維NMR在溶液中測定蛋白質三維結構的方法，榮獲諾貝爾化學獎。這一成就使NMR成為結構生物學與藥物設計的核心技術之一。現在使用多維NMR已經可以輕鬆確定蛋白質在溶液中的立體構象。這對於X射線單晶衍射技術是一個良好的補充。因為很多蛋白質極難結晶，因此無法用單晶衍射進行結構分析。另一方面，單晶中蛋白質的結構和溶液中的立體構象可能存在巨大的區別。因此對一個蛋白質來說，了解其晶體構象和溶液構象可謂是珠聯璧合的最理想組合，但並非總能實現。

如今，NMR（尤其是¹H-NMR與¹³C-NMR）已成為有機化合物結構鑑定最重要、最可靠、最常用的手段，廣泛應用於有機化學、分析化學、生物化學、藥物研發、材料科學、農業、林業與醫學等眾多學科。從一個純粹的物理現象，到如今跨足基礎科學與臨床應用的核心工具，核磁共振的發展歷程不僅見證了技術的持續革新，更體現了人類對物質微觀世界不懈探索的精神。每一次重大突破，都為後續研究開闢了全新視野，推動科學不斷向前邁進。

題圖：化合物1-溴-3,4,5-三氟苯的核磁共振¹⁹F譜。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 4.0）

引用和注釋

[1] 丁渝，1953年獲美國俄亥俄州立大學波譜學博士學位。1954年任加拿大國家研究院研究員。1956年任中國科學院原子能研究所研究員，兼北京大學教授、中國科學院高能物理研究所研究員，主要負責加速器新技術研究。