揭开物质的结构奥秘

揭开物质的结构奥秘

第二次世界大战接近尾声的时候，伯罗奇和普塞尔领导的两个小组实现了凝聚态物质中的核磁共振实验，因而获得了1952年诺贝尔物理奖。核磁共振谱可以为化学家提供诸如磁性核的类型、化学环境、相对数量、核间相对距离等一系列结构信息。在有机化学、药物化学结构和动力学研究中，获得了广泛的应用。比如很多国家认定新药开发时，若缺少了核磁共振数据，则不予批准。五十多年核磁共振已由一个原理实验的完成逐步成为化学、物理、生物、医学诸多实验室中必不可缺的装置。

众所周知，物质是由分子组成，分子由原子组成，而原子又由原子核及绕核运转的电子组成的。原子核有自旋现象，其能量是量子化的，可用一个自旋量子数I描述。凡自旋量子数不为零的原子核都有磁距。一些核，如¹H、¹³C、³¹P、¹⁹F、¹⁵N等其I＝1／2，可近似地看成是电荷均匀分布的球体。这些核都是核磁共振研究的主要对象。以氢原子核，即质子为例，一个质子是一个带正电荷的自旋单体，因此顺着它的自旋轴就产生了一个微小的磁场。假如把这个原子核放在一个外加的磁场内，它将以两种方式排列起来，一种是与外加磁场平行的，另一种是反平行的。这两种排列能量相差很小。当接受一定频率的无线电渡时，平行排列的原子核就吸收能量变为反平行的，即发生了所谓的“共振”，这时人们就可以从仪表上测出从振动器流出的电流，这种现象由于是原子核吸收能量所引起的，所以称之为核磁共振。

如同其他光谱，核磁共振方法早期采用每一时刻只观测物质对一个频率的响应的方法。这种方法实验上容易实现，但其效率是很低的，尤其对灵敏度很低的核磁共振来讲更是致命的。经过多年的探索与研究，于20世纪60年代中期终于找到了一种同时观测物质对多个频率的响应，再用称作傅立叶变换的运算，可以获得通常的波谱。这种叫做脉冲傅立叶变换核磁共振方法的崛起，是一次革命性的飞跃。它可以同时检测所有频率的吸收情况，因此大大节省了时间。将其用于多次累加，将灵敏度提高了1～2个数量级。

核磁共振在中小分子应用中的极大成功，又促使人们将目标指向更复杂的体系。但当用于核酸、蛋白质、多糖等生物物质时，遇到了谱线拥挤进而重叠、谱线变宽等问题。提高静磁场的强度可以把谱拉伸开，如同扩大了房间面积，还可以提高检测灵敏度。于是高场核磁共振取得了飞快的发展。与此同时人们注意到若检测变量从一个（线）增加到两个（平面）时，可以把谱舒坦展开。在20世纪70年代中期实现了这一想法，称为二维核磁共振。瑞士的恩斯特由于脉冲傅立叶变换和二维核磁共振波谱发展中的突出贡献获1991年诺贝尔化学奖。

人们一直试图探明物质的结构与性能的关系。而对性能起决定作用的是物质的三维结构。20世纪80年代初，二维核磁共振波谱在小的蛋白质结构研究中取得了突破，成为求解溶液三维结构的唯一方法。与求解物质空间结构最有效的方法——X射线衍射方法相比，它避开了培养单晶这一难题，而且在更接近于生理环境的条件下测量和更容易研究活性分子之间的作用。但当研究的分子较大时，由于谱线的重叠和谱线变宽愈加严重，无法求解。人们很自然地想到发展三维、四维等多维核磁共振了。

正在进行的人类基因组计划和紧锣密鼓声中筹划的后基因组计划，将引起人类对生物认识的飞跃。其中阐明生物功能的承担者——蛋白质的三维结构，是核心问题之一，尤其是生物大分子复合体、膜蛋白精细结构的解析，更是一个富于挑战性的难题。美、日等发达国家为迎接这一挑战，投巨资组建核磁共振园区，建立蛋白质典型结构分类库，我们希望生物核磁共振将揭开更加辉煌的一页。