固体核振分析仪

【科学人说科学】固体核磁共振：第N感&ldquo 看&rdquo 世界　　主讲人：孔学谦 浙大化学系研究员 国家青年千人计划入选者　　让我们把日历调到2050年，展望一下未来人的生活：如果一个人感到身体不适，他只需掏出一个手机大小的仪器对自己快速扫描一番，人体器官影像、血液生化指标、新陈代谢状况等全面的医学信息便一目了然，然后通过网络传输给医生做出诊断。医生呢，也可以随时利用这个仪器监测药物的作用部位和治疗效果。一个小小的仪器协助人们实现了精准医疗、远程医疗的理想。当然，这只是我的一个科学&ldquo 狂&rdquo 想，但最有可能将此仪器变为现实的就是核磁共振技术(Nuclear Magnetic Res-onance，NMR)。　　核磁共振怎么&ldquo 看&rdquo ?　　提到核磁共振，你或许马上想到医院里巨大的圆筒形的核磁共振成像仪(MRI)。的确，核磁共振从最初作为一个物理现象被认知，到医用的核磁共振成像仪协助人类进行医疗诊断，已大大造福人类，当然我们还期待它有更广泛的应用。这一领域经过70多年的发展，已经诞生了5次诺贝尔奖，7位诺奖获得者。它究竟有多神奇呢?　　&ldquo 核磁共振&rdquo 中的&ldquo 核&rdquo 是指原子核，&ldquo 磁&rdquo 是指磁场。理解核磁共振的原理需要相当的量子力学基础，但不妨碍我们对它有个感性的认识：原子核就像小磁铁一样具有磁性，在外界磁场中，原子核会像陀螺一样旋转。而原子核的旋转可以吸收和释放特定频率的电磁波，它与调频广播FM的频率相当，我们把这个现象称为核磁共振。核磁共振不但能用来分辨物质的空间分布例如可以形成人体器官组织的影像，也可以帮你精确鉴定化学成分&mdash &mdash &mdash 每种化学或生物物质都有其特征的核磁共振谱线，例如分析药物的化学组成配方。　　与人类发明的光学、X射线、电子成像等诸多技术相比，核磁共振的优势很明显，第一，核磁共振技术只用到低能量的电磁场，不损伤被测物体，人畜无害 所以核磁共振成像在医学上是肿瘤诊断、脑科学研究的重要手段 第二，具有极高的化学分辨率。核磁共振技术在生物和化学领域被用来鉴定化学分子结构和研究蛋白质结构和功能。核磁共振技术就像给人附上了第N感，让人透过表象&ldquo 看&rdquo 到各种微观和内部的世界。　　把材料&ldquo 看&rdquo 个究竟　　在各种不同的研究对象中，我最想&ldquo 看&rdquo 到的是固体材料中内部结构和化学反应机理，从而为新型功能材料，新能源材料的研发提供指导。在加州大学伯克利分校从事博士后研究期间，我加入了美国能源部资助的重点研究团队，团队正在为解决发电厂的碳排放问题，开发新型材料用来捕捉收集燃烧排放的二氧化碳。课题组的负责人OmarYaghi教授，是一位材料课题组金属有机框架材料(MOF)领域的创始人，他发明了一种全新的非常有前途的MOF材料，它布满纳米级别的微小孔道，可以像海绵一样选择性、高容量地吸附二氧化碳气体。那么问题来了，这种高性能的吸附机理是怎样的?Yaghi教授很想知道，这种材料内部的化学官能团，是聚集在一起呢，还是分散的排列?　　要解决这个关键问题，我们必须&ldquo 钻&rdquo 到材料内部去&ldquo 看&rdquo 个究竟。这就好像要区分口袋里不同颜色的玻璃球&mdash &mdash &mdash 如果我把MOF材料三维结构比作玻璃球，而官能团则是它们的颜色。常见的X光衍射，电子显微镜等手段，可&ldquo 摸&rdquo 出球的大小、位置，但无法区别球的颜色。我设计了一种特别的核磁共振方法，不但可以&ldquo 看&rdquo 到球的颜色，而且可以看到色彩的图案。最终我的方法解开了有序晶体结构中不同化学官能团的排布谜题，深入阐释了材料纳米结构对二氧化碳吸附功能的影响。相关成果陆续在《科学》，《自然》等杂志上发表，这让更多人认可了核磁共振对材料结构认知的突破性贡献。　　期待&ldquo 看&rdquo 到更多　　2014年9月，我辞去美国硅谷的工作，正式入职浙江大学化学系，组建全新的具有世界水平的固体核磁共振实验室。我们实验室的根本目标是提升核磁共振技术应用的深度和广度。一方面，我希望核磁共振能使材料学科研究水平由单纯的结构表征提升到对整个工作体系的全面认知。这其中的关键有赖于原位表征技术的突破&mdash &mdash &mdash 即在反应进行过程中对物质进行直接研究，从而得到全面、准确、实时的信息。我们实验室正在着手构建这样的原位核磁共振系统，将具备流动态，变温，光照等多种特殊功能。另一方面，我希望核磁共振成为学术界、工业界乃至日常生活中可以大规模应用的技术。我们正在致力于推进核磁共振技术的小型化、便携化，让小型核磁系统能够媲美巨大且昂贵的超导核磁共振仪，在科学研究中发挥更大的作用。　　核磁共振是一个持续快速发展的学科，新的技术不断出现。超导磁场的强度正在不断突破极限 新型的脉冲序列不断推出，将核磁共振的功能不断拓展 新型的超极化方法正在研制之中，可将核磁共振灵敏度提升成千上万倍 在医学上，新的核磁造影剂可以标记病变细胞组织，提升成像精度 在物理学上，核磁共振被用作量子计算的载体 传统的能源行业也在应用核磁技术勘探石油天然气&hellip &hellip 毋庸置疑，核磁共振必将在未来的科学研究和人民生活中扮演越来越重要的角色，我希望我的实验室能在核磁共振技术的进化过程中发挥推动作用，并期待有一天开文所描绘的情景变为现实。

项目编号：CQU-SS-HW-2022-151项目名称：重庆大学固体核磁共振波谱仪采购采购方式：竞争性磋商预算金额：750.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：750.0000000 万元（人民币）采购需求：详见磋商文件合同履行期限：在采购合同签订后300日内交货，交货后60日完成安装调试本项目( 不接受 )联合体投标。重庆大学固体核磁共振波谱仪采购（定稿）.doc

中科院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室邓风研究组在快速定量13C魔角旋转固体核磁共振(13C MAS NMR)方法研究方面取得重要进展，相关结果发表在近期的《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132: 5538-5539) 上。　　13C MAS NMR由于分辨率高而被广泛应用于多相催化反应机理、高分子和膜蛋白的结构与性能等方面的研究中。然而，13C MAS NMR也存在灵敏度低的致命缺点，一般需要通过信号累加的单脉冲(Single Pulse, SP)实验或极化转移的交叉极化实验(Cross polarization, CP)来提高其检测灵敏度。SP实验是获得定量13C NMR 信息最常用的方法，然而由于受到13C核自旋晶格弛豫时间(T1)的限制，定量SP 实验往往是比较耗时的，因为实验要求信号累加所需的循环延迟至少要大于T1的5 倍以上。　　邓风研究员和侯广进博士等人提出了一个全新的观点：在13C MAS NMR的定量测量实验中，循环延迟不再受自旋晶格弛豫T1的约束，不必满足5T1的限制，这将极大地缩短实验时间，有助于提高需要长时间信号累加体系的研究效率。他们分别发展了适合于固体NMR中CP和SP实验的定量测量方法，包括定量交叉极化(QUCP)技术和定量单脉冲(QUSP)技术。其核心是：在常规CP和SP实验中引入宽带同核重耦技术，非一致性增强和非一致性恢复的13C核自旋磁化强度将会在重新耦合的同核偶极-偶极相互作用的驱动下发生极化转移，在系统达到准平衡态时每个核自旋的磁化强度将会达到一致。理论分析和实验结果证实：针对任意设置的循环延迟，QUCP和QUSP实验技术均可以获得定量的13C NMR测量结果 循环延迟越短，实验效率越高，这将极大地节省实验时间。邓风研究组把该方法用于固体酸催化反应机理的研究，该方法还有望用于固态多肽和膜蛋白等生物大分子的结构和动力学研究。　　在前期工作中，该研究组针对环境友好固体酸催化剂的结构与性能这一科学问题，发展了用于研究不同酸中心协同作用的二维1H-1H双量子魔角旋转NMR方法(J. Am. Chem. Soc. 2007, 129: 11161-11171 J. Phys. Chem. C 2008, 112:14486)，建立了酸强度定量测量的NMR标尺(J. Phys. Chem. B, 2007, 111: 3085 2008, 112: 4496 J. Phys. Chem. A 2008, 112: 7337)。利用所建立的NMR方法并结合量化计算，他们揭示了一系列固体酸催化剂的结构与反应性能(J. Am. Chem. Soc. 2005, 127:18274-18280 J. Phys. Chem. B 2006, 110: 10662 J. Phys. Chem. C, 2008, 112: 15765)。该工作是基于前期工作的又一次重要突破。　　该项研究得到了国家自然科学基金重点项目(20933009)、国家自然科学基金委创新团队项目(20921004)以及国家科技部973项目(2009CB918600)的大力支持。