医学中的核磁共振光谱学:完整指南

在医学专业人员使用的所有技术中，核磁共振波谱是最有价值的技术之一。这种先进的分析技术被正式称为核磁共振波谱学，有时也被称为磁共振波谱学(MRS)，它允许医学科学家观察、绘制和研究原子核周围的磁场。雷电竞网址通过观察这些磁场的行为并分析外部磁场引发的变化，科学家可以深入了解医学样本的分子结构和组成。雷电竞网址

下面，我们将更详细地探讨核磁共振波谱在医学中的作用。我们还深入研究了核磁共振波谱学的历史，以及先进的分析技术的下一步，确保这个完整的指南涵盖所有基础。

定义NMR波谱学

核磁共振波谱学的基本原理是大多数原子核绕轴自旋，带正电荷并产生电场。通过核磁共振仪器施加外部磁场，医学研究人员可以促进原子核周围的局部磁场和外部辐射源之间的能量转移。

在磁能传递发生后，用核磁共振仪测量并记录原子核的共振频率。然后将数据转换为NMR谱图，将频率显示为尖峰。然后，这些数据用于生成关于医学样本的分子结构、特征、成分和行为的详细信息。

产生外部磁场

产生外部磁场是核磁共振波谱学的一个基本阶段。雷电竞网址科学家们依靠先进的核磁共振仪器来触发外部磁场和围绕原子核的局部磁场之间至关重要的能量转移。

将样品置于NMR仪器产生的静态磁场中后，利用脉冲电磁波激发原子核周围的磁场并产生NMR信号。当辐射被关闭后，超灵敏的无线电接收器被用来探测原子核周围磁场发出的信号，并测量共振频率的变化。这揭示了一个分子的电子结构和它所包含的独特官能团的详细信息。

核磁共振波谱的三个阶段

核磁共振波谱可分为三个主要阶段:对准、搅拌和分析。

• 对齐

在这一阶段，原子核被放置在核磁共振仪器中，在那里它可以自由旋转并产生自然磁场。

• 搅动

当原子核排列整齐时，一个外部振荡磁场被用来搅动原子核周围的局部磁场。这种磁场也被称为射频脉冲。

• 分析

在局部磁场被激发后，核磁共振仪器测量原子核发出的电磁波。

核磁共振波谱学的简史

伊西多尔·艾萨克·拉比，一位具有波兰血统的美国物理学家，被认为是核磁共振波谱学的发现者。1944年，拉比因为他的发现和开创性工作而被授予诺贝尔物理学奖，这促使哈佛大学和斯坦福大学的研究人员在他的工作基础上进行研究。1952年，美国物理学家爱德华·米尔斯·珀塞尔(Edward Mills Purcell)和瑞士出生的物理学家菲利克斯·布洛赫(Felix Bloch)因对液体和固体核磁共振波谱学的贡献而共同获得诺贝尔物理学奖。

第一个商用核磁共振仪器

多亏了Rabi, Purcell和Bloch的创新，第一批商用NMR仪器在20世纪50年代早期被提供给研究人员。在当时，它们被认为是最先进的，科学家可以分析单个核。雷电竞网址直到几年后，多核光谱仪才投入商业市场。先进的能力使它们成为学术和私人实验室的主要产品，有助于支持医学领域以及化学、能源、制药和生物技术等其他领域的革命性发现。

2009年标志着单核光谱仪的引入，随后很快出现了配备两核和三核功能的型号。2019年，尖端宽带多核台式仪器X-Pulse为核磁共振波谱学设定了新标准。该仪器的先进功能重新想象了台式光谱学在医疗领域的局限性。

今天，台式核磁共振仪器通过紧凑、负担得起且易于维护的介质为科学家提供了先进的雷电竞网址功能。这又一次推动了科学发现，支持了广泛领域的医学研究。

核磁共振波谱学与医学诊断

在过去的十年中，核磁共振波谱学在推进诊断医学方面发挥了重要作用。NMR研究提供了一系列优于其他技术的优点，使其成为诊断医学领域研究人员的首选媒介。下面，我们列出了核磁共振波谱分析医学样本时最吸引人的三个好处。

• 样品制备简便
• 生物安全
• 非侵入性、非破坏性

识别人类疾病

核磁共振波谱学在分析和识别人类疾病方面特别有用，特别是与基于代谢组学的诊断一起使用时。这是因为在诊断各种疾病时，细胞代谢提供了主要线索。

“NMR代谢组学用于寻找结核病、疟疾和肺炎、神经障碍和帕金森病等传染病的生物标志物。核磁共振代谢组学已用于识别心血管疾病的生物标志物和风险分层，”学术教科书的作者Kannan Vaidyanathan写道核磁共振波谱学的应用。

Vaidyanathan补充说:“神经精神疾病，如精神分裂症、恐慌症、重度抑郁症、双相情感障碍和自闭症谱系障碍已经使用核磁共振波谱进行了系统的研究。”

癌症诊断和核磁共振波谱学

核磁共振光谱学也已成为癌症诊断和治疗的有价值的工具。细胞代谢中的异常行为被广泛认为是许多危及生命的疾病的驱动因素，包括癌症。20世纪20年代，一位德国生理学家首次发现了癌症和新陈代谢之间的联系奥托·海因里希·沃伯格他提出，癌症基因的突变和随后细胞信号的变化可以促使新陈代谢发生变化。

观察细胞分子结构的能力对于研究识别揭示癌症存在的基于代谢物的生物标志物非常有用。分析细胞代谢还可以让研究人员追踪破坏性过程，如进展、增殖、转化和转移。

药物传递和核磁共振波谱学

除了诊断癌症，核磁共振还成为开发用于治疗癌症和其他疾病的智能药物输送系统的关键。在过去的几十年里，固态和溶液核磁共振研究都取得了重大突破。这些进展使科学家能够研究水化膜中蛋白质和多肽的结构生物学雷电竞网址，以及其他多组分和异质生物系统。

该杂志最近发表的一篇文章写道:“这些无数的核磁共振技术已经越来越多地扩展到制药科学的应用中，以表征蛋白质药物和药物产品系统，以实现其全部治疗潜力。先进给药综述．

例如，许多核磁共振研究提供了CPPs膜插入所需的特定相互作用，以及肽和蛋白质易位所需的构象和动力学。此外，利用核磁共振技术研究了非均相和多组分纳米药物传递体系的组成依赖性结构、动力学、稳定性和包封效率。这些关键的分子理解为制药和临床应用的高效和靶向药物传递载体的合理开发提供了见解。”

核磁共振光谱的其他医学应用

虽然用于癌症诊断和治疗的核磁共振波谱已经占据了头条，但分析技术已被证明在研究胃肠、内分泌和营养紊乱方面非常宝贵。它也被广泛用作诊断和治疗神经和呼吸系统疾病的工具。

呼吸医学中涉及的小分子化合物和途径的研究代表了一个积极的临床研究领域，”最近发表在《美国医学杂志》上的一篇文章写道欧洲呼吸杂志．“在呼吸系统疾病患者中发现个性化代谢组学特征可以揭示疾病发病的新途径，或能够更好地识别呼吸系统疾病的生化易感性患者，对治疗的反应和“预测”可能的无反应患者，以及确定新的治疗靶点。代谢组学也有助于理解复杂的基因-环境相互作用，涉及呼吸疾病的发生和发展。”

核磁共振波谱学进展

紧凑型台式核磁共振仪器的出现标志着医学研究效率的新时代。从大学实验室到最先进的癌症研究中心，核磁共振光谱学使医学研究更快，更容易，更具成本效益。最新的进展之一是从基本的一维1H NMR谱转向具有测量自扩散系数能力的现代仪器。这些详细的数据可以用来解锁关于样品的有价值的物理信息，包括粘度和分子大小，以及离子电导率和转移活性。

脉冲场梯度光谱仪简介

例如，具有脉冲场梯度(PFG)功能的台式核磁共振光谱仪可以利用诸如脉冲场梯度自旋回波(PFGSE)等先进技术。这使得研究人员可以根据PFG强度测量NMR信号的变化，并使用数据确定样品组分的扩散系数。甚至更先进的仪器结合PFG技术与可变温度能力，使研究人员能够分析各种条件下的热行为。

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