¿Qué es la "vibración magnética"?
La resonancia magnética (MRI) también se denomina tecnología de imágenes por resonancia magnética. Es otro avance importante en imágenes médicas después de la TC. Desde su aplicación en el decenio de 1980, se ha desarrollado a un ritmo extremadamente rápido. Su principio básico es colocar el cuerpo humano en un campo magnético especial y utilizar pulsos de radiofrecuencia para excitar los núcleos de hidrógeno del cuerpo humano, haciendo que los núcleos de hidrógeno vibren y absorban energía. Después de detener el pulso de radiofrecuencia, el núcleo del átomo de hidrógeno emite una señal de radio a una frecuencia específica y libera la energía absorbida, que es recogida por un receptor fuera del cuerpo y procesada por una computadora electrónica para obtener una imagen magnética nuclear. imágenes de resonancia.
Los momentos magnéticos son causados por el momento angular interno, o espín, que poseen muchos núcleos atómicos, y desde la década de 1940 se han desarrollado técnicas para estudiar los momentos magnéticos. La investigación básica sobre teoría nuclear que están realizando los físicos sienta las bases de este trabajo. En 1933, G.O. Stern e I. Estermann hicieron la primera determinación aproximada del momento magnético de las partículas nucleares. El laboratorio de I.I Rabi (Rabi nacido en 1898) en Columbia, Estados Unidos, ha avanzado en la investigación en este campo. Estos estudios jugaron un gran papel en el desarrollo de la teoría nuclear.
Cuando un haz atómico acelerado por un fuerte campo magnético se aplica a un campo magnético oscilante débil de frecuencia conocida, el núcleo atómico absorberá energía de ciertas frecuencias y saltará a una subcapa de campo magnético superior. Midiendo la intensidad de un haz atómico en un campo magnético con frecuencias que cambian gradualmente, se puede determinar la frecuencia de absorción del núcleo atómico. Esta técnica se utilizó inicialmente para sustancias gaseosas, y posteriormente se extendió a líquidos gracias a los trabajos de F. Bloch (Bloch, nacido en 1905) en Stanford y E.M. Purcell (Puccell, nacido en 1912) en la Universidad de Harvard y sólidos. El grupo de Bloch midió por primera vez la absorción vibratoria de protones en agua y el grupo de Purcell midió por primera vez la absorción vibratoria de protones en parafinas sólidas. Desde que se realizaron estos estudios en 1946, el campo ha crecido rápidamente. Los físicos utilizan esta tecnología para estudiar las propiedades de los núcleos atómicos, mientras que los químicos la utilizan para identificar y analizar reacciones químicas, así como para estudiar complejos, rotación impedida y defectos sólidos. En 1949, W. D. Knight confirmó que la frecuencia de oscilación de un determinado núcleo atómico en un campo magnético externo a veces está determinada por la forma química del átomo. Por ejemplo, puedes 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 un campo magnético externo.
(1) Desde la década de 1970, la tecnología de RMN ha desempeñado un papel extremadamente importante a la hora de dilucidar la estructura de la materia orgánica, especialmente la estructura de los productos naturales. En la actualidad, se ha convertido en un método de prueba de rutina el uso de cambios químicos, constantes de división, espectros H-'HCosy, etc. para obtener información estructural de sustancias orgánicas. 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 cuanto al hardware de los espectrómetros, debido al desarrollo de la tecnología superconductora, la intensidad del campo magnético de los imanes ha aumentado una media de 1,5 veces cada cinco años. A finales de los años 80, los espectrómetros de 600 megaciclos se habían vuelto prácticos. Se ha mejorado enormemente el desarrollo de diversas tecnologías de radiofrecuencia avanzadas y complejas, la tecnología de excitación y detección de RMN. Además, con el desarrollo de la tecnología informática, no sólo se pueden controlar de forma estricta y precisa la secuencia de impulsos y la recopilación de datos que excitan la oscilación nuclear, sino que también se pueden realizar diversas transformaciones y procesamientos complejos en la gran cantidad de datos obtenidos. El avance tecnológico más destacado en el software de espectrómetro es el desarrollo del método de resonancia magnética nuclear bidimensional (2D-NMR). Cambia fundamentalmente la forma en que se utiliza la tecnología de RMN para resolver 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 2D-NMR puede proporcionar una variedad de información relacionada entre varios núcleos en moléculas, como la correlación de acoplamiento de espín entre núcleos a través de enlaces químicos y la correlación de acoplamiento de dipolo espacial (NOE), correlación de acoplamiento entre núcleos. del mismo tipo, correlación de acoplamiento entre núcleos de diferentes tipos, correlación directa y correlación a larga distancia entre núcleos, etc. A partir de esta información relevante, los átomos de la molécula se pueden conectar entre sí mediante enlaces químicos o relaciones espaciales. Esto 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 fiable.
②El desarrollo de 2D-NMR 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 estructuras que el espectro 1D-NMR no puede proporcionar. Información como la morfología de división fina de cada grupo de señales en las señales de oscilación superpuestas, la constante de acoplamiento precisa, la determinación del signo de la constante de acoplamiento y la distinción del acoplamiento directo y remoto.
③El proceso de utilizar la tecnología 2D-NMR para analizar estructuras moleculares es el proceso de 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 sólo proporciona una base para la confiabilidad de la determinación de la estructura molecular, sino que también sienta las bases para la determinación de estructuras de orden superior en soluciones de macromoléculas biológicas complejas.
④El desarrollo de 2D-NMR ha llevado a una extensa investigación y utilización de espectros heteronucleares (X-NMR), especialmente 13C-NMR. La mayoría de los núcleos heterogéneos son núcleos de baja abundancia y baja sensibilidad. Debido a la baja sensibilidad y la dificultad en la atribución de señales, no se han utilizado mucho en el pasado. Sin embargo, el espectro X-NMR contiene una gran cantidad de información estructural útil. El nuevo espectro de correlación heteronuclear (HET-Cosy) proporciona información de correlación entre núcleos heteronucleares (como H-C, C-C, H-P, H-N) y no solo proporciona una base para el análisis. atribución de señal de estos núcleos heteronucleares, pero también proporciona información estructural importante que la H-NMR no puede proporcionar.
⑤El desarrollo de la tecnología 2D-NMR también ha promovido el desarrollo de la investigación y la aplicación de NOE. NOE refleja la relación de proximidad mutua entre núcleos en el espacio. Por lo tanto, no solo puede proporcionar la relación de conexión entre núcleos (o entre cadenas de acoplamiento de espín de protones) a través del espacio, sino que también puede usarse para estudiar la disposición mutua de los núcleos en el espacio. Es la estructura y conformación de las moléculas.
Debido a sus extraordinarias ventajas y su enorme potencial, la tecnología 2D-NMR ha atraído a más de 1.000 espectrómetros en tan solo unos años después de que el hardware del espectrómetro fuera capaz de satisfacer las necesidades de los experimentos 2D-NMR (es decir, en la década de 1980). Aparecieron artículos y decenas de reseñas y monografías.
(2) Casi todos los días aparecen nuevos experimentos y aplicaciones en RMN. En el futuro, la propia tecnología de RMN seguirá trabajando en cómo obtener información más relevante, simplificar mapas, mejorar y aumentar la sensibilidad de detección, etc. Desarrollo, entre las cuales las nuevas tecnologías más prometedoras son:
① Selección y selección múltiple de tecnología de excitación, desarrollo adicional de tecnología multicuántica y uso de tecnología de radiofrecuencia avanzada para excitar aquellas que normalmente están prohibidas, extremadamente. Transiciones cuánticas múltiples débiles. Detectar selectivamente correlaciones específicas entre núcleos y núcleos moleculares. O excitar selectivamente determinados núcleos mediante pulsos conformados y pulsos suaves para centrarse en estudiar determinadas cuestiones estructurales de interés.
② Las tecnologías de detección "inversa" y "relé", en términos de espectros de correlación heteronuclear, utilizan detección inversa (llamada RMN inversa, es decir, la detección de H se utiliza para reemplazar la detección heteronuclear anterior. Método de prueba) puede mejorar en gran medida la sensibilidad de detección de los espectros de correlación heteronuclear (aproximadamente 1 orden de magnitud). En términos de espectroscopía de correlación homonuclear, las técnicas de transferencia coherente por retransmisión (RCT-1), transferencia coherente por retransmisión múltiple (RCT-2) y técnicas de transferencia coherente híbrida isotrópica (como HOHAHA) se pueden utilizar para resolver moléculas complejas (incluidas macromoléculas biológicas) Acoplamiento de espín Problemas de análisis y atribución de señales.
③ Desarrollar y aplicar tecnología de edición de espectro, y utilizar las diversas tecnologías de selección y supresión de la propia RMN en términos de excitación y recepción para clasificar y editar señales de RMN muy complejas.
④ Desarrollar tecnología de resonancia magnética nuclear tridimensional (3D-NMR) A medida que el objeto de investigación de la RMN se desplaza hacia las macromoléculas biológicas, la cantidad y complejidad de la información estructural proporcionada por la tecnología de RMN aumenta en progresión geométrica. Además, recientemente ha surgido la tecnología de RMN 3D para sustituir el método de RMN 2D para la determinación de la estructura de macromoléculas biológicas. Los resultados preliminares de la exploración muestran que el método 3D-NMR no solo mejora aún más la capacidad de separación de señales, sino que también proporciona mucha información estructural que el método 2D-NMR no puede proporcionar, lo que simplifica enormemente el proceso de análisis de la estructura. El uso generalizado de métodos de medición de RMN 3D aún requiere más mejoras en los métodos de medición y avances en la tecnología informática.
⑤ Combínelo con cálculos de mecánica molecular para desarrollar tecnología de modelado molecular. Sobre la base de la atribución completa de señales NNR, la tecnología de utilizar la información de distancia entre protones en moléculas proporcionada por NOE para calcular la estructura tridimensional de las moléculas ha logrado un gran éxito en la investigación de polipéptidos y pequeñas moléculas de proteínas en los últimos años.
La tecnología de modelado molecular basada en algoritmos de geometría a distancia y dinámica molecular se está aplicando gradualmente para resolver problemas conformacionales de otras biomoléculas. Sin embargo, todavía quedan muchos problemas por resolver en sistemas donde las macromoléculas interactúan con moléculas pequeñas o moléculas pequeñas con moléculas pequeñas, como cómo obtener información de distancia y la precisión de la información de distancia en sistemas con condiciones de movimiento desfavorables.
(3) Los campos de aplicación más prometedores de la tecnología de espectroscopía de RMN en el futuro incluyen los siguientes aspectos:
①Continuar ayudando a los químicos orgánicos a buscar nuevos compuestos orgánicos con actividad biológica de la naturaleza, La investigación futura en esta área se centrará 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 los procesos vitales.
② Se utiliza más para el análisis de estructuras de orden superior 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. Y se está desarrollando en la dirección de combinar el método óptico CIDNP de etiquetado de isótopos estables con la tecnología 2D-NMR y 3D-NMR.
③La tecnología de RMN se utilizará ampliamente en la química de los ácidos nucleicos para determinar el tipo de estructura helicoidal del ADN y su especificidad de secuencia. Los temas de investigación se centrarán 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 tecnología de RMN mostrará un potencial creciente en la aplicación de la química del azúcar. La tecnología de RMN se utiliza para determinar la secuencia, el modo de conexión y la posición de conexión de los oligosacáridos, determinar la configuración de los azúcares y la presencia de oligosacáridos en solución. La estereoquímica y las características estructurales y dinámicas de las interacciones con proteínas serán áreas importantes de investigación.
La tecnología ⑤NMR se utilizará más para estudiar estructuras moleculares dinámicas y cambios en equilibrio rápido. Comprender profundamente la estructura de las moléculas, describir las características dinámicas de la estructura y comprender los estados intermedios de las reacciones químicas y los cambios de energía cuando coinciden entre sí.
⑥La tecnología de RMN penetrará aún más en 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 anteriores son campos relacionados con la investigación de soluciones de RMN. En los últimos años, la tecnología de imágenes de RMN para la investigación de RMN de estado sólido también ha logrado grandes avances y continúa desempeñando un papel importante en la ciencia de materiales y la investigación biomédica. role.
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