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核磁共振NMR的历史和同位素气体的概念
2011-12-14 10:39:13
同位素气体已进入各种化学研究，是有机分子结构分析不可或缺的最重要的方法 - 核磁共振光谱。核磁共振是一种非破坏性的，信息丰富的分析技术，可以帮助研究人员了解分子结构和动力学。NMR实验可以分析分子的原子连接在一个分子彼此关系、空间定向和在自然环境中的分子运动，尤其是在蛋白质组学/基因组学和药物发现应用，通过这些结构关键信息，科学家可以深入地了解蛋白质靶标分子、合成的空间关系和候选药物。
磁矩是由许多原子核所具有的内部角动量或自旋引起的，自1940年以来研究磁矩的技术已得到了发展。物理学家正在从事的核理论的基础研究为这一工作奠定了基础。1933年，G·O·斯特恩（Stern）和I·艾斯特曼（Estermann）对核粒子的磁矩进行了第一次粗略测定。美国哥伦比亚的I·I·拉比（Dr. Isidor Rabi生于1898年）的实验室在这个领域的研究中获得了进展。这些研究对核理论的发展起了很大的作用。Dr. Isidor Rabi因原子和分子束磁共振方法的发明在1944年获得诺贝尔物理学奖，有趣的是，拉比忽视了NMR这一技术的重要性。
当受到强磁场加速的原子束加以一个已知频率的弱振荡磁场时原子核就要吸收某些频率的能量，同时跃迁到较高的磁场亚层中。通过测定原子束在频率逐渐变化的磁场中的强度，就可测定原子核吸收频率的大小。这种技术起初被用于气体物质，后来通过斯坦福的F.布络赫（Felix Bloch生于1905年）和哈佛大学的E·M·珀塞尔（Edward Purcell生于1912年）的工作扩大应用到液体和固体。布络赫小组第一次测定了水中质子的共振吸收，而珀塞尔小组第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。自从1946年进行这些研究以来，这个领域已经迅速得到了发展。物理学家利用这门技术研究原子核的性质，同时化学家利用它进行化学反应过程中的鉴定和分析工作，以及研究络合物、受阻转动和固体缺陷等方面。1949年，W·D·奈特证实，在外加磁场中某个原子核的共振频率有时由该原子的化学形式决定。比如，可看到乙醇中的质子显示三个独立的峰，分别对应于CH3、CH2和OH键中的几个质子。这种所谓化学位移是与价电子对外加磁场所起的屏蔽效应有关。
随着这一发现核磁共振光谱诞生，并很快成为一个研究化合物结构重要的分析方法。对于这一发现，Bloch和Purcell于 1952年被授予诺贝尔物理学奖。
同位素气体的有关概念：
同位素（Isotope）：具有相同原子序数但质量数不同的核素。
稳定性同位素（Stable Isotope）：指质子数相同，中子数不同且无放射性的元素。
标记化合物（Labelled Compound）：用放射性核素或稳定核素取代化合物分子中的一种或几种原子使之能被识别并可用于示踪的化合物。
示踪剂（Tracer）：具有某些明显特性而易于辨别的物质。将少量该物质与另一物质相混合或附着于此物质时，待测物质的分布状况或其所在位置就能被确定。
丰度（Enrichment）：同位素原子数（或摩尔数）对该元素总原子数（或摩尔数）的比例。
天然丰度（Natural Enrichment）：在一种元素中特定同位素天然存在的丰度。
同位素示踪剂（Isotopic Tracer）：与被示踪元素相同而同位素组成或能态不同的示踪剂。
同位素稀释分析（Isotope Dilution Analysis）：在样品中加入一定量已知丰度的某元素的同位素（或包含该同位素的物质），通过测定混合物前后它在样品中的丰度，从而求得样品中该元素（或该物质）含量的分析方法。
同位素效应（Isotope Effect）：由于质量或自旋等核性质的不同而造成的同一元素的同位素原子（或分子）之间物理和化学性质的差异。
原子质量（Atomic Mass）：一种中性原子处于基态的静止质量。
原子质量单位（u，Atomic Mass Unit）：一个12C 中性原子处于基态的静止质量的1/12。1u=1.6605655×10-27kg 。
阿伏加德罗常数（L，NA）：分子数除以物质的量。NA=N/n= (6.022045±0.000031) ×10 23mol-1。
摩尔质量（M）：质量除以物质的量。M=m/n，式中m为物质的质量，kg/mol。
摩尔（mol）：是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg 12C 的原子数目相等。在使用摩尔时，基本单位应予指明，可以是原子，分子，离子，电子及其他粒子，或这些粒子的特定组合。
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