¿Qué es la vibración magnética?
Los momentos magnéticos son causados por el momento angular interno, o espín, de muchos núcleos atómicos, y en la década de 1940 comenzaron a desarrollarse técnicas para estudiar los momentos magnéticos. La investigación básica sobre teoría nuclear realizada por físicos sentó las bases de este trabajo. En 1933, G.O. Stern e I. Esterman realizaron la primera medición aproximada del momento magnético de las partículas nucleares. El laboratorio de I I Rabi (Rabi nació en 1898) en Columbia, Estados Unidos, ha avanzado en este sentido. Estos estudios jugaron un gran papel en el desarrollo de la teoría nuclear.
Cuando se aplica un campo magnético oscilante débil de frecuencia conocida a un haz atómico acelerado por un campo magnético fuerte, el núcleo atómico absorberá algo de energía de frecuencia y saltará a una capa de magnetón superior. Midiendo la intensidad de un haz de átomos en un campo magnético de frecuencia que cambia gradualmente, se puede determinar la frecuencia de absorción de un núcleo atómico. Inicialmente aplicada a sustancias gaseosas, la técnica se extendió posteriormente a líquidos y sólidos gracias al trabajo de F. Bloch (nacido en 1905) de la Universidad de Stanford y E. M. Puccell (nacido en 1912) de la Universidad de Harvard. El equipo de Bloch midió por primera vez la absorción vibratoria de protones en agua, mientras que el equipo de Purcell midió por primera vez la absorción vibratoria de protones en alcanos sólidos. Desde que se realizaron estos estudios en 1946, el campo ha crecido rápidamente. Los físicos utilizan esta técnica para estudiar las propiedades de los núcleos atómicos y los químicos la utilizan para identificar y analizar reacciones químicas, así como para estudiar complejos, rotación impedida y defectos en los sólidos. En 1949, W. D. Knight confirmó que la frecuencia de vibración del núcleo atómico en un campo magnético externo a veces está determinada por la forma química del átomo. Por ejemplo, podemos ver que los protones en el etanol muestran tres picos separados, correspondientes a varios protones en los enlaces CH3, CH2 y OH. Este llamado desplazamiento químico está relacionado con el efecto de protección de los electrones de valencia sobre los campos magnéticos externos.
(1) Desde la década de 1970, la resonancia magnética nuclear ha jugado un papel extremadamente importante a la hora de dilucidar la estructura de los compuestos orgánicos, especialmente los productos naturales. En la actualidad, se ha convertido en un método de prueba de rutina para obtener información estructural de compuestos orgánicos a través de cambios químicos, constantes de fragmentación y espectros H-H-'HCosy. En los últimos 20 años, la tecnología de RMN ha logrado grandes avances en el rendimiento de los espectrómetros y en los métodos de medición. En términos de hardware de espectrómetro, debido al desarrollo de la tecnología superconductora, la intensidad del campo magnético de los imanes aumenta una media de 1,5 veces cada cinco años. A finales de la década de 1980, se habían puesto en práctica analizadores de espectro de 600 MHz. Gracias al desarrollo de diversas tecnologías de radiofrecuencia avanzadas y complejas, la tecnología de excitación y detección de vibraciones de resonancia magnética nuclear ha mejorado enormemente. Además, con el desarrollo de la tecnología informática, no sólo se puede controlar de forma estricta y precisa la secuencia de impulsos que excita las vibraciones nucleares y la recopilación de datos, sino que también se pueden realizar diversas conversiones complejas y el procesamiento de grandes cantidades de datos. El avance tecnológico más destacado en el software de espectrómetro es el desarrollo de la resonancia magnética nuclear bidimensional (2D-NMR). Cambia fundamentalmente la forma en que la tecnología de RMN resuelve problemas estructurales complejos, mejora en gran medida la calidad y cantidad de la información de la estructura molecular proporcionada por la tecnología de RMN y convierte a la tecnología de RMN en el método físico más importante para resolver problemas estructurales complejos.
① La tecnología de RMN 2D puede proporcionar diversa información relacionada entre varios núcleos atómicos en moléculas, como la correlación de acoplamiento de espín entre núcleos atómicos a través de enlaces químicos, la correlación de acoplamiento de dipolos a través del espacio, núcleos homogéneos La correlación de acoplamiento entre núcleos, la correlación de acoplamiento entre núcleos heterogéneos, correlación directa y correlación remota entre núcleos atómicos, etc. Con base en esta información relevante, los átomos de la molécula se pueden conectar entre sí mediante enlaces químicos o relaciones espaciales, lo que no sólo simplifica enormemente el proceso de análisis de la estructura molecular, sino que también lo convierte en un método de razonamiento lógico directo y confiable.
②El desarrollo de la resonancia magnética nuclear 2D no solo mejora en gran medida la capacidad de separación de una gran cantidad de * * * señales de vibración, reduce la superposición entre * * * señales de vibración, sino que también proporciona muchas señales de vibración 1d-nuclear. espectros de resonancia magnética que no se pueden proporcionar información estructural, como la morfología dividida fina de cada grupo de señales en la señal de vibración superpuesta, constantes de acoplamiento precisas, determinación del signo de la constante de acoplamiento, distinción del acoplamiento directo y remoto, etc.
③El proceso de análisis de la estructura molecular mediante tecnología 2D-NMR es la atribución de señales de NMR. La finalización del proceso de análisis también completa la atribución de señales de NMR. La atribución de datos completa y precisa no solo proporciona la base para la confiabilidad de la determinación de la estructura molecular, sino que también sienta las bases para la determinación avanzada de la estructura de macromoléculas biológicas complejas.
④El desarrollo de la RMN 2D ha llevado a una extensa investigación y utilización de la RMN heteronuclear, especialmente la espectroscopia de RMN 13C. Los heteronúcleos son en su mayoría especies nucleares con poca abundancia y baja sensibilidad. Debido a la baja sensibilidad y la dificultad en la atribución de señales, no se utilizaron mucho en el pasado. Sin embargo, los espectros X-NMR contienen mucha información estructural útil. La información de correlación entre núcleos heteronucleares (como H-C, C-C, H-P, H-N) proporcionada por el nuevo espectro de correlación heteronuclear (HET-Cosy) no solo proporciona una base para la atribución de señales de estos núcleos heteronucleares, sino que también proporciona información de que H- La RMN no puede proporcionar información estructural importante.
⑤El desarrollo de la tecnología de resonancia magnética nuclear 2D también ha promovido el desarrollo de la investigación y la aplicación de NOE. NOE refleja la estrecha relación entre los núcleos atómicos en el espacio, por lo que no solo puede proporcionar la conexión espacial entre los núcleos atómicos (o cadenas de acoplamiento de espín de protones), sino que también puede usarse para estudiar la disposición mutua de los núcleos atómicos en el espacio, es decir, la configuración de las moléculas y la conformación.
Debido a sus extraordinarias ventajas y su enorme potencial, la tecnología de RMN 2D ha producido más de 1.000 espectrómetros en tan sólo unos años (es decir, en la década de 1980), después de que el hardware del espectrómetro fuera capaz de satisfacer las necesidades de la tecnología 2D. Experimentos de RMN. Artículos y decenas de reseñas y monografías.
(2) Casi todos los días aparecen nuevos experimentos y aplicaciones en resonancia magnética nuclear. La propia tecnología de resonancia magnética nuclear también se utilizará en términos de cómo obtener información más relevante, simplificar espectros, mejorar y aumentar la detección. sensibilidad, etc. Para continuar desarrollándose en el futuro, las nuevas tecnologías más prometedoras son:
(1) Tecnología de excitación selectiva y multiselectiva, desarrollar aún más la tecnología multicuántica y utilizar tecnología de radiofrecuencia avanzada. para excitar aquellas células que normalmente están suprimidas. Prohibidas transiciones cuánticas múltiples extremadamente débiles. Detectar selectivamente asociaciones específicas entre núcleos moleculares y núcleos. O utilice pulsos moldeados y pulsos suaves para excitar selectivamente núcleos específicos y centrarse en algunas cuestiones estructurales interesantes.
② Tecnología de detección "inversa" y "relé". En los espectros de correlación heteronuclear, la sensibilidad de detección de los espectros de correlación heteronuclear se puede mejorar mucho (aproximadamente 1 orden de magnitud) mediante el uso de detección inversa (llamada RMN inversa, es decir, el uso de detección de H para reemplazar el método de prueba anterior de detección de heteronucleares). En términos de espectroscopia de correlación homonuclear, la transferencia coherente por retransmisión (RCT-1), la transferencia coherente por retransmisión múltiple (RCT-2) y la tecnología de transferencia coherente híbrida isotrópica (como HOHAHA) se pueden utilizar para resolver moléculas complejas (incluidas las macromoléculas biológicas). análisis de acoplamiento y atribución de señales.
(3) Desarrollar y aplicar tecnología de edición de espectro, utilizando diversas tecnologías de selección y supresión de la propia RMN en excitación y recepción, para clasificar y editar señales de RMN muy complejas.
④Desarrollar tecnología de resonancia magnética nuclear tridimensional. A medida que el objeto de investigación de la RMN se centra en las macromoléculas biológicas, la cantidad y complejidad de la información estructural proporcionada por la tecnología de RMN ha aumentado exponencialmente. Recientemente, la tecnología 3D-NMR parece haber reemplazado a los métodos 2D-NMR para la determinación de la estructura de macromoléculas biológicas. Los resultados de exploración preliminares muestran que el método de RMN 3D no solo mejora aún más la capacidad de separación de señales, sino que también proporciona mucha información estructural que el método de RMN 2D no puede proporcionar, lo que simplifica enormemente el proceso de análisis estructural. La amplia aplicación de los métodos de medición de RMN 3D requiere mayores mejoras en los métodos de medición y avances en la tecnología informática.
⑤ Combinado con cálculos de mecánica molecular, desarrolle tecnología de modelado molecular.
Basada en la atribución completa de señales NNR, la tecnología proporcionada por NOE para calcular la estructura tridimensional de moléculas utilizando la información de distancia entre protones en la molécula ha logrado un gran éxito en la investigación de polipéptidos y pequeñas moléculas de proteínas en los últimos años. Las técnicas de modelado molecular basadas en algoritmos de geometría a distancia y dinámica molecular se están aplicando paulatinamente para resolver problemas conformacionales de otras biomoléculas. Sin embargo, en el sistema de interacción entre macromoléculas y moléculas pequeñas o moléculas pequeñas y moléculas pequeñas, todavía quedan muchos problemas por resolver, como cómo obtener información de distancia y la precisión de la información de distancia en sistemas con condiciones de movimiento desfavorables.
(3)3) Los campos de aplicación más prometedores de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear en el futuro son los siguientes:
①Continuar ayudando a los químicos orgánicos a buscar nuevos compuestos orgánicos con actividad biológica a partir de naturaleza, las investigaciones futuras en este campo se centrarán en la relación entre estructura y actividad. Se trata de estudiar las características estructurales y dinámicas de estas sustancias que interactúan con macromoléculas biológicas (como los receptores) u otras moléculas pequeñas cuando participan en procesos vitales.
② Se utiliza más para analizar la estructura avanzada de polipéptidos y proteínas en solución, y se ha convertido en una herramienta importante para estudiar la relación entre la estructura y función de las proteínas en ingeniería de proteínas y biología molecular. Se está desarrollando en la dirección de combinar el método óptico CIDNP de etiquetado de isótopos estables con la tecnología de RMN 2D y RMN 3D.
③La tecnología de resonancia magnética nuclear se utilizará ampliamente en la química de los ácidos nucleicos para determinar el tipo de estructura helicoidal del ADN y su especificidad de secuencia. El tema de investigación se centrará en la interacción entre ácidos nucleicos y ligandos, entre las cuales las interacciones entre ácidos nucleicos y moléculas de proteínas, y ácidos nucleicos y fármacos de moléculas pequeñas son los aspectos más importantes.
④La aplicación de la tecnología de resonancia magnética nuclear en la glicoquímica mostrará un potencial creciente. Será un área de investigación importante utilizar la tecnología de RMN para determinar la secuencia, el modo de conexión y la posición de conexión de los oligosacáridos, determinar la configuración de los azúcares y la estereoquímica de los oligosacáridos en solución, así como las características estructurales y dinámicas de las interacciones con proteínas.
⑤La tecnología de resonancia magnética nuclear se utilizará más para estudiar estructuras moleculares dinámicas y cambios en el equilibrio rápido. Para obtener una comprensión profunda de la estructura molecular, describir las características dinámicas de la estructura, comprender los estados intermedios de las reacciones químicas y los cambios de energía cuando coinciden entre sí.
⑥La tecnología de resonancia magnética nuclear profundizará aún más los campos de investigación de las ciencias biológicas y la biomedicina, y estudiará los cambios bioquímicos en diversos procesos fisiológicos de las células biológicas y los tejidos vivos.
Todos los campos anteriores están relacionados con el estudio de la RMN en solución. En los últimos años, la investigación sobre la tecnología de resonancia magnética de estado sólido también ha logrado grandes avances y continúa desempeñando un papel importante en la ciencia de materiales y la investigación biomédica.