魔角旋转技术

魔角旋转核磁共振技术包括交叉极化魔角旋转(CP-MAS)和高分辨魔角旋转(HR-MAS)两项新技术，主要用于固体的测定。迄今为止，进行核磁共振谱测定时，通常要将样品先制成溶液然后再进行测定。这是由于固体分子不能自由运动，自旋之间的耦合较强，核磁共振谱分辨率很差，13C核在外磁场中有各种取向，造成吸收峰很宽（各向异性宽峰），掩盖了其他精细的谱线结构。

耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是(3cos2β-1)。针对固体化学位移的各向异性以及自旋晶格驰豫时间很长的缺点，采用交叉极化魔角旋转技术，通过使样品在旋转轴与磁场方向夹角为β=θ=54.44°（魔角）的方向高速旋转以及交叉极化等方法，则3cosβ-1=0，从而达到了窄化谱线的目的。简言之，魔角旋转技术就是通过样品的旋转来达到减小分子相互作用的目的，将β与θ的差别平均掉，使上述不足之处得以顺利解决。

这些新方法在活体样品和生物组织的结构研究中具有独特的优势，同时也被广泛应用于材料科学、矿物分析、表面吸附、聚合体陶瓷以及组合化学等研究领域。美国布鲁克公司核磁应用部曾分别利用400兆赫和800兆赫场强的核磁共振仪对狗的血样进行了比校分析。理论上后者测试结果的分辨率应远远高于前者的，但由于在用400兆赫场强的仪器测试时运用了高分辨魔角旋转技术，而在800兆赫场强的仪器测试中仍然使用常规技术，结果发现采用了高分辨魔角旋转技术的实验结果比高场强核磁共振仪的测试结果分辨率更高。

该项研究表明高分辨核磁共振技术在流体样品和生物组织结构研究中确实具有独特的优势。

1　在地球生物学方面的应用

海藻是海洋中的一大类生物,海藻中含有多种成分,它在化学、食品和医学科研领域有很多应用。海藻还能大量吸收海水中的氮、磷和二氧化碳,释放大量氧气,净化海区环境,减缓赤潮的发生。Stormh等用HR-MAS NMR,研究了海洋中牟氏角毛藻的细胞浆。通过一维(1D)的1H、13 C NMR和二维(2D)的1H 1H COSY、1H 13C相关谱研究表明,细胞中含有多聚糖,其结构证明是β-D-(1→3)联接葡聚糖、聚合度为19、支化度为0.005。

2　在生物医学中的应用

蜂房哈夫尼菌PCM1200、PCM1203和PCM-1205的脂多糖,其免疫化学是类似的。Dag等用HRMAS NMR证明其在分子结构上也存在类似之处。三种蜂房哈夫尼菌的抗原不同,取决于它们O-链节多聚糖中不同的抗原决定基,可由O-乙酰基的数目和它所处的位置来解释。胆固醇几乎在人体的所有器官中都有分布,对身体健康有重要影响。Soubias等用胆固醇样品由氘代磷脂(DMPC-D54)稀释成30%浓度进行测试。发现它能检测天然丰度胆固醇在膜环境中的所有交叉峰。

3　在固相有机合成中的应用

固相有机合成产物可以直接用HR MAS NMR分析。Pailley等采用HR MAS NMR对树脂上不同比例的谷氨酸酯和焦谷氨酸酯进行定量分析,并分别在氘代和质子溶剂条件下进行。实验结果表明;可以利用Glu和pyrGlu的Hα在NMR上的位置区别来分辨,利用面积大小来定量;含10%杂质的3 mg树脂样品,在两种溶剂条件下能被轻易地检测、10 mg树脂样品在氘代溶剂中能检测到1%的杂质;HPLC-UV和NMR方法比较,误差<10%。

4　在物理化学中的应用

粘土矿对有机物的吸附是净化自然环境的一个重要处理过程。Feng等采用高龄土和蒙脱土间隙吸附泥煤腐植酸(PHA)的实验,研究粘土在不同条件下对PHA的吸附程度、馏分组的分布和吸附的机理,得到了粘土矿表面选择性吸附有机物的直接的、分子水平的详细证据。

5　在材料科学中的应用

具有活性的生物材料是目前研究的热点。Clochard等在聚偏氟乙烯(PVDF)表面通过电子束辐射的办法嫁接聚丙烯酸,再通过二氯乙烯作为偶合试剂,将缩氨酸化学键合固定到PVDF表面,使之具有亲水功能。在几种光谱技术(FT IR、UV、XPS和HR MAS NMR)对其过程的表征中,HRMAS NNR的方法最具优越性。每个基团的位置可以被清楚指认、可以精确计算AA(丙烯酸)/PVDF的比例、可以给出缩氨酸键合到固相载体上的二级结构。键合固定的缩氨酸由酶联免疫吸附法测定,其活性仍然保留。

6　在食品科学中的应用

疯牛病和禽流感的出现,引起了人们对肉类食品的关注。欧洲共同市场已于2000年规定鲜肉产品必须标明原产地标签,使肉制品从农场到餐桌得到跟踪,以提高消费者的信心。Sacco等采用金属元素含量、稳定同位素比和1H HR MAS NMR方法所得数据进行多元统计分析,提供了羊肉血统地理区别的满意结果。HR MAS NMR的羊肉谱图,可作为样品的指纹,不同组别的谱图,各组分信号强度不同。依靠同位素比值和NMR方法,测试结果的准确性可达96%,而依靠常规分析和金属元素分析,其准确性仅有60%。^[1]